ความดันอากาศและการวัดความดันของของไหล

            ความดันอากาศ (air pressure) หมายถึง แรงดันของอากาศ ซึ่งก็เป็นเรื่องของสมบัติของอากาศที่ต้องการที่อยู่อากาศจะเคลื่อนที่โดยโมเลกุลของอากาศจะเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เนื่องจากอยู่ในสถานะของแก๊ส อากาศจะเคลื่อนที่ไปทุกทิศทุกทางทำให้เกิดแรงที่เรียกว่า แรงดันอากาศ แรงดันอากาศจะขึ้นอยู่กับอิทธิพลของขนาดพื้นที่ อุณหภูมิ และอื่นๆ

การวัดความดันของอากาศ
          การวัดความดันของอากาศ มีนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาค้นคว้าไว้จนสามารถสร้างเครื่องวัดความดันของอากาศได้ นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องความดันของอากาศที่ควรรู้จักมี  2  ท่านด้วยกัน คือ กาลิเลโอ (Galileo) และเทอริเชลลี (Torricelli) โดยศึกษาพบว่า อากาศสามารถดันของเหลว เช่น น้ำหรือปรอทให้เข้าไปอยู่ในหลอดแก้วที่เป็นสุญญากาศได้ จึงนำความรู้ดังกล่าวมาประยุกต์ใช้สร้างเครื่องวัดความดันบรรยากาศที่มีชื่อ เรียกว่า บารอมิเตอร์ (barometer) บารอมิเตอร์จะใช้ปรอทบรรจุไว้ภายในหลอดแก้วเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีกว่า ของเหลวอื่นๆ

ข้อควรทราบ
1. ความดัน 1 บรรยากาศ คือ ความดันของอากาศที่ทำให้ปรอทเคลื่อนสูงขึ้นไปได้ 76 เซนติเมตร หรือ 760 มิลลิเมตร
2. 1 บรรยากาศ มีค่าเท่ากับ 1,013.25 มิลลิบาร์
3. 1,000 มิลลิบาร์ มีค่าเท่ากับ 1 บาร์
4. 1 บรรยากาศ มีค่าเท่ากับ 1.013105 นิวตันต่อตารางเมตร
5. ในทางอุตุนิยมวิทยาจะใช้หน่วยของบารอมิเตอร์ เป็นนิ้ว มิลลิเมตร มิลลิบาร์ หรือบาร์
6. 1 นิ้ว มีค่าเท่ากับ 25.4 มิลลิเมตร
7. 1 มิลลิบาร์ มีค่าเท่ากับ 0.02953 นิ้วของปรอท
8. 1 มิลลิบาร์ มีค่าเท่ากับ 0.750062 มิลลิเมตรของปรอท

เครื่องมือวัดความดันอากาศ
          เครื่องมือที่ใช้วัดความดันของอากาศเราเรียกว่า บารอมิเตอร์ (barometer) เป็นเครื่องมือที่ทำให้ทราบว่า ณ บริเวณหนึ่ง บริเวณใดมีความกดของอากาศมากน้อยเท่าไร ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการทำงานของอุตุนิยมวิทยา ชนิดของบารอมิเตอร์มีดังต่อไปนี้
          1. บารอมิเตอร์แบบปรอท (barometer) ประกอบด้วยหลอดแก้วยาวที่ปิดปลายด้านหนึ่งไว้ และทำให้เป็นสุญญากาศ นำไปคว่ำลงในอ่างที่บรรจุปรอทไว้ อากาศภายนอกจะกดดันให้ปรอทเข้าไปอยู่ในหลอดแก้วในระดับหนึ่งของหลอดแก้ว ระดับของปรอทจะเปลี่ยนแปลงไปตามความกดดันของอากาศ โดยความดัน 1 บรรยากาศจะดันปรอทให้สูงขึ้นไปได้ 76 เซนติเมตร หรือ 760 มิลลิเมตร

รูปแสดงหลักการทำงานของบารอมิเตอร์แบบปรอท

           2. แอนนิรอยด์บารอมิเตอร์ (aneriod barometer) ชนิดไม่ใช้ปรอทหรือของเหลวแบบอื่นๆ เป็นบารอมิเตอร์ที่จะทำเป็นตลับโลหะแล้วนำเอาอากาศออกจนเหลือน้อย (คล้ายจะทำให้เป็นสุญญากาศ) เมื่อมีแรงจากอากาศมากดตลับโลหะ จะทำให้ตลับโลหะมีการเคลื่อนไหว ทำให้เข็มที่ติดไว้กับตัวตลับชี้บอกความกดดันของอากาศโดยทำสเกลบอกระดับความ ดันของอากาศไว้ แอนนิรอยด์บารอมิเตอร์ประดิษฐ์โดยวีดี (Vidi) ในปี พ.ศ. 2388 มีขนาดเล็กพกพาไปได้สะดวก

รูปแสดงหลักการทำงานของแอนนิรอยด์บารอมิเตอร์

          3. บารอกราฟ (barograph) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการวัดความดันอากาศที่ใช้หลักการเดียวกับแอนนิรอยด์ บารอมิเตอร์ แต่จะบันทึกความกดดันอากาศแบบต่อเนื่องลงบนกระดาษตลอดเวลาในลักษณะเป็นเส้นกราฟ

รูปแสดงบารอกราฟ

          4. แอลติมิเตอร์ (altimeter) เป็นแอนนิรอยด์บารอมิเตอร์ ที่นำมาประยุกต์ให้ใช้ความกดดันของอากาศวัดระดับความสูง แอลติมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการบิน เครื่องมือที่นักกระโดดร่มใช้เพื่อการกระโดดร่ม

รูปแสดงหลักการทำงานของแอลติมิเตอร์ความชื้นของอากาศ

ที่มา : http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/1659-ความดันอากาศ?groupid=273

 

การวัดความดัน (Pressure measurement)

อุปกรณ์วัดความดันของของไหลที่นิยมใช้กันมี 2 ประเภท คือ
1. แมนอมิเตอร์ (Manometer)
2. เบาวน์ดันเกจ (Boundon gauge)

1. แมนอมิเตอร์ เป็นเครื่องมือวัดที่ใช้หลักการสมดุลของลำของเหลวที่ต้องการวัดความดันกับลำของของเหลวอย่างเดียวกัน หรือต่างชนิดกัน แบ่งออกเป็น
1.1 แมนอมิเตอร์อย่างง่าย ประกอบด้วยหลอดแก้วปลายเปิด 2 ด้าน ปลายข้างหนึ่งต่อเข้ากับจุดที่ต้องการวัดความดัน ปลายอีกด้านหนึ่งเปิดสู่บรรยากาศ แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ไพโซมิเตอร์ แมนอมิเตอร์แบบหลอดแก้วรูปตัวยู

รูปตัวอย่างไพโซมิเตอร์ที่ใช้วัดความดันของของไหลในท่อ

         ไพโซมิเตอร์เป็นเครื่องมือง่ายๆ ที่ใช้วัดความดันของของไหล ประกอบด้วยหลอดแก้วยาวที่มีปลายข้างหนึ่งติดตั้งเข้ากับผนังท่อหรือภาชนะที่ต้องการวัดความดันของของไหล ปลายอีกด้านจะชี้ขึ้นด้านบนด้วยความยาวประมาณที่ของไหลในท่อจะไม่ล้นออกมา ระดับความสูงของของเหลวในหลอดจะบอกถึงความดัน

แมนอมิเตอร์แบบหลอดแก้วรูปตัวยู

         เนื่องจากเมื่อใช้ไพโซมิเตอร์วัดความดันของของไหลที่มีน้ำหนักเบา จะต้องใช้หลอดแก้วขนาดยาวมากทำให้ไม่สะดวกและยุ่งยากในการวัด อีกทั้งยังใช้วัดความดันของแก๊สไม่ได้ แก๊สจะฟุ้งกระจายสู่บรรยากาศ จึงต้องเปลี่ยนมาใช้แมนอมิเตอร์แบบหลอดแก้วรูปตัวยู ปลายข้างหนึ่งต่อเข้ากับจุดที่ต้อ การวัด ปลายอีกด้านเปิดสู่บรรยากาศ ภายในหลอดแก้วบรรจุของเหลวที่มีความถ่งจำเพาะมากกว่าของเหลวที่ต้องการวัด ของเหลวที่นิยมใช้ คือ ปรอท น้ำมัน น้ำเกลือ เป็นต้น ของเหลวนี้จะเป็นตัวบ่งบอกความดันของของไหลภายในท่อหรือภาชนะที่ต้องการวัด ซึ่งจะอ่านเป็นค่าระดับความสูงของของเหลวภายในหลอดแก้วและความสูงของของไหลที่ต้องการวัด แล้วนำมาเข้าสมการเพื่อคำนวณความดันในของไหลต่อไป
แมนอมิเตอร์ชนิดปลายปิดก็สามารถใช้วัดความดันของแก๊สได้เช่นเดียวกัน โดยลำความสูงของปรอทที่แตกต่างกันของท่อทั้งสอง (Δh) เป็นความดันของแก๊สโดยตรง

เช่นในรูป ถ้า Δh = 500 มิลลิเมตร ความดันของแก๊สก็เท่ากับ 500 mmHg
1.2 แมนอมิเตอร์แบบวัดความต่าง แมนอมิเตอร์แบบความแตกต่างมักจะใช้วัดความดันแตกต่างระหว่าง 2 จุด หลักการคำนวณใช้หลักการคำนวณเหมือนแมนอมิเตอร์แบบหลอดแก้วรูปตัวยู โดยพิจารณาที่ตำแหน่งระดับความลึกของของเหลวชนิดเดียวกันที่ตำแหน่งนี้จะมีความดันเท่ากัน

รูปแมนอมิเตอร์แบบวัดความต่าง

          1.3 แมนอมิเตอร์แบบเอียง ในการวัดความดันของของไหลที่มีความดันไม่มาก ถ้าใช้แมนอมิเตอร์ธรรมดาวัดจะอ่านค่าได้ไม่ละเอียด จึงต้องมาใช้แมนอมิเตอร์ที่สามารถอ่านค่าได้แม้ว่าความดันจะแตกต่างกันเพียงเล็กน้อยก็ตาม แมนอมิเตอร์ที่นิยมใช้ก็คือ แมนอมิเตอร์แบบเอียง ค่าความแตกต่างที่วัดได้จะวัดออกมาเป็นความยาวของของเหลวภายในหลอดแก้ว แล้วนำมาคำนวณค่าความดันที่แตกต่างกันต่อไป

รูปแมนอมิเตอร์แบบเอียง

2. เบาวน์ดันเกจ
ถึงแม้ว่าแมนอมิเตอร์จะมีการนำไปใช้กันอย่างกว้างขวางแต่ก็ไม่เหมาะที่จะใช้วัดความดันสูงๆ หรือใช้วัดงานที่มีความดันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตลอดเวลา จึงมีการนำเบาวน์ดันเกจมาใช้ในงานลักษณะดังกล่าวแทน โดยหลักการทำงานของเบาวน์ดันเกจ คือ เมื่อต้องการวัดจะนำเกจไปต่อเข้ากับภาชนะบรรจุของไหล เช่ยการวัดความดันของออกซิเจนภายในถัง หลังจากต่อแล้วเมื่อเปิดวาล์วของไหลภายในภาชนะจะไหลเข้สไปในท่อของเบาวน์ดัน ท่อเบาว์นดันจะยืดตัวออกมีผลทำให้เข็มที่ต่อกับท่อเบาวน์ดันเกิดการเคลื่อนที่ไปตามสเกลบนหน้าปัด และสามารถอ่านค่าความดันได้ตามตัวเลขที่แสดงไว้

รูปแสดงการใช้อุปกรณ์วัดความดันทั้งแมนอมิเตอร์และเบาวน์ดันเกจ

ที่มา : http://www.scimath.org/socialnetwork/groups/viewbulletin/1668-การวัดความดันของของไหล?groupid=273