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

ต้มไข่บนยอดเขาเอเวอเรสต์

รูปยอดเขาเอเวอเรสต์

อออออใครๆก็ทราบกันดีว่ายอดเขาที่สูงที่สุดในโลกคือยอดเขาเอเวอเรสต์(Everest) ในเทือกเขาหิมาลัย ซึ่งมีความสูงถึง 8,848 เมตรเหนือระดับน้ำทะเล การจะพิชิตยอดเขาแห่งนี้คงเป็นเรื่องยากเย็นแสนเข็ญอย่างปฏิเสธไม่ได้นะครับ แต่จะมีใครทราบบ้างว่า แม้แต่การจะต้มไข่ไก่ให้สุกบนยอดเอเวอเรสต์นั้นก็ยังเป็นเรื่องยากอย่างคาดไม่ถึงเลยทีเดียว ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? ร่วมหาคำตอบจากองค์ความรู้นี้กันเลยครับ

ดดดดดในระดับความสูงปกติที่เราคุ้นเคย (ใกล้เคียงระดับน้ำทะเล) การต้มไข่ไก่ให้สุกนั้น คงใช้เวลาตั้งไฟไม่เกิน 5 นาที แต่สำหรับบริเวณซึ่งสูงอย่างยอดเขาเอเวอเรสต์นั้นกฏทางฟิสิกส์ได้ปรับเปลี่ยนโลกแห่งความเข้าใจของเราไปอย่างสิ้นเชิงนะครับ ลองดูตัวอย่างจากรูปภาพต่อไปนี้

อออออรูปภาพด้านบน คือ ภาพไข่ไก่ซึ่งต้มในน้ำเดือดบนยอดเขาเอเวอเรสต์เป็นเวลากว่า 20 นาที

Q : โอ้วววว… เกือบครึ่งชั่วโมงแต่ทำไมไข่ไก่จึงไม่สุก?

A : สาเหตุที่ไข่ไก่ไม่สุกนั้นเป็นเพราะน้ำบนยอดเขาเอเวอเรสต์เดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 องศาเซลเซียสนะสิครับ

………………………เสน่ห์ของวิทยาศาสตร์ก็คือ คำตอบของปัญหาหนึ่งมักจะนำไปสู่คำถามของปัญหาถัดไป………………………

Q : แล้วเพราะอะไรบนยอดเขาเอเวอเรสต์น้ำจึงเดือดที่อุณหภูมิไม่ถึง 100 องศาสเซลเซียสกันล่ะ

A : เป็นเพราะจุดเดือดของน้ำนั้นขึ้นอยู่กับความดันอากาศนั่นเองครับ

 

อออออจุดเดือดของน้ำนั้น คือ จุดซึ่งความดันไอมีค่าเท่ากับความดันบรรยากาศ พูดง่ายๆก็คือ น้ำจะเดือดก็ต่อเมื่อความดันไอบริเวณหน้าผิวของเหลวมีค่าเท่ากับความดันของบรรยากาศโดยรอบ ซึ่งที่ระดับน้ำทะเลมีความดัน 1 บรรยากาศ หรือ 760 มิลลิเมตรของปรอท น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C แต่ในบริเวณที่สูงขึ้นก็จะมีอากาศเบาบางลง ความดันอากาศจึงลดลงเป็นผลให้น้ำสามารถเดือดได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100°C และในทางกลับกัน บริเวณที่มีความดันโดยรอบสูงๆ น้ำก็จะเดือดที่อุณหภูมิที่สูงกว่า 100°C

อออออความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอกับจุดเดือดของน้ำนั้น แสดงได้ดังกราฟ

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอและจุดเดิอดของน้ำที่อุณหภูมิใกล้เคียงกับ 100°C

ที่มา : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/vappre.html

อออออจากการทดลอง เมื่อพิจารณาจากสมการจะเห็นได้ว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความดันไอและจุดเดือดของน้ำนั้นไม่เป็นเชิงเส้น แต่หากพิจารณาเฉพาะบริเวณใกล้เคียง 100°C จะเห็นเป็นกราฟเส้นตรงจึงสามารถคิดเป็นความความสัมพันธ์เชิงเส้นได้โดยประมาณ อีกทั้งความดันอากาศเองก็ยังขึ้นอยู่กับความสูงจากระดับน้ำทะเล ดังนั้นเราจึงสามารถหาความสัมพันธ์ของจุดเดือดของน้ำและความสูงจากระดับน้ำทะเลได้ ดังกราฟ

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างจุดเดิอดของน้ำและความสูงจากระดับน้ำทะเล

ที่มา : http://www.engineeringtoolbox.com/boiling-points-water-altitude-d_1344.html

อออออโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลอง สามารถสรุปได้ว่า

0001. เมื่อความดันของอากาศลดลง(เทียบกับ 760 mmHg) จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง คือ ต่ำกว่า 100°C เมื่อความดันของอากาศสูงขึ้น จุดเดือดของน้ำจะสูงขึ้น คือ สูงกว่า 100°C  เมื่อความดันของอากาศเปลี่ยนแปลงไป 27 mmHg จุดเดือดของน้ำจะเปลี่ยนไป  1°C เช่น เมื่อความดันของอากาศลดลง 27 mmHg จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง  1°C หรือ ภายใต้ความดันอากาศ 760-27 = 733 mmHg น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 99°C

0002. ในที่ที่ยิ่งสูงขึ้นไปจากระดับน้ำทะเล (ความดันของอากาศจะลดลง เพราะว่ามีบรรยากาศเบาบางลง)  โดยที่ความดันอากาศจะลดลง 1  mmHg ทุกระยะทางที่สูงขึ้นจากเดิม 11 เมตร ดังนั้น ความสูงย่อมมีอิทธิพลต่อจุดเดือดของน้ำด้วย เช่น ถ้าสุงขึ้นไปจากเดิม 11×27 = 297 เมตร จุดเดือดของน้ำจะต่ำลง 1°C หรือ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 99°C

ตารางแสดงตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างความสูงและจุดเดือดของน้ำ

อออออทราบอย่างนี้แล้ว หากคิดจะทำอาหารบนยอดเขาเอเวอเรสต์ คงไม่มีใครเลือกเมนูที่ต้องต้มหมูหรือต้มไก่นะครับ เพราะอะไรน่ะหรือ….. ลองคิดกันเอาก็แล้วกันนะครับ ^_^

 

ที่มาข้อมูล : http://www.scimath.org/