الضغط الجوي القياسي وطريقة قياسة

 

الضغط الجوي 

تعريف الضغط الجوي Atmospheric Pressure : عبارة عن وزن الغلاف الجوي (عمود الهواء الممتد الى طبقات الجو العليا) مقسوما على مساحة السطح الواقع تحت هذا الوزن.

وتعتمد القيم الفعلية للضغط الجوي تعتمد على الموقع (location) ، ودرجة الحرارة (temperature) والظروف الجوية (Weather conditions).

 

والسؤال هل الضغط يعمل فقط للأسفل كما يمكن أن تستنتج من تعريفه؟

تخيل ماذا يحدث إذا كنت تمسك بقطعة ورق بشكل محكم (مشدودة) بين كلتا يديك فوق رأسك. ربما تتوقع أن الورقة ستنثني بسبب أن الضغط الهواء يعمل عليها، لكن هذا لا يحدث. والسبب أن الهواء مثل الماء، مائع (fluid)، وأن الضغط الممارس على جسم في مائع يأتي من جميع الجهات، فوق وأسفل كما يأتي من الشمال ومن اليمين. وعلى المستوى الجزيئي، فإن الضغط ينشأ بسبب التصادمات بين جزيئات الهواء وأي سطح يأتي معه على اتصال. وقيمة الضغط يحددها عدد الجزيئات المصطدمة وقوة اصطدامها، وحيث أن عدد الجزيئات الذي يرتطم بالورقة من الأعلى أو الأسفل متساوية لذلك تبقى الورقة مسطحة.

 

س) ما سبب اختلاف الضغط الجوي على سطح الأرض؟

يختلف الضغط الجوي تبعا لـ:

أ) ارتفاع عمود الهواء، والذي يؤثر فيه علو المكان أو استوائه أو انخفاضه مثل : سطح البحر، قيعان الأودية، قمم الجبال). فكلما علا المكان قل الضغط الجوي وكلما انخفض المكان زاد الضغط الجوي. فالضغط الجوي في مكة أعلى من الضغط الجوي في جدة والطائف لأنها أخفض منهما، والضغط الجوي في الطائف أقل من مكة وجدة لأنه أعلى منهما. بينما الضغط الجوي بجدة يساوي (atm1) لأنها عند مستوى سطح البحر. ومع ذلك فإن التفاوت في قيم الضغط الجوي يكون بسيطا في حدود %10) من مكان لآخر على سطح الأرض.

ب) كمية الغاز في هذا العمود والذي تؤثر فيها الحرارة حيث : • تكون كمية الغاز في عمود الهواء كبيرة حينما تكون درجة الحرارة منخفضة. . بينما تكون كمية الغاز في عمود الهواء صغيرة حينما تكون درجة الحرارة عالية فمثلا لو كان لدينا مكانان كل منهما عند مستوى سطح البحر أحدهما في بريطانيا الأكثر برودة) والآخر في السعودية (الأكثر حرارة) فإن الضغط في بريطانيا يكون أعلى منه في السعودية بسبب اختلاف درجة الحرارة.

 

س) ما سبب التفاوت البسيط (في حدود % 10) في قيم الضغط الجوي من مكان الأخر على سطح الأرض؟

ج) سببه أن الفرق في وزن عمود الهواء من منطقة لأخرى ينحصر في حدود ضئيلة الأن :

·         المادة المقاس وزنها هي هواء وكثافة الهواء منخفضة للغاية أي أن وزن الهواء أساسا خفيف.

·         الفروق في الإرتفاعات بين المناطق المختلفة على سطح الأرض لا يمثل غالبا إلا جزءا يسيرا من طول عمود الهواء الممتد فوق سطح الأرض.

 

 

الضغط القياسي 

الضغط القياسي Standard Pressure هو مقدار الضغط الجوي المقاس عند سطح البحر، وعند درجة حرارة (C°0) ووجد أن مقداره يساوي (N/m2101325 ) Pa 101325 ضغط جوي واحد 1.atm

تعريف الباسكال : يعرف الباسكال بأنه الضغط الممارس بقوة قدرها (1N) ضد مساحة مقدارها واحد متر مربع (m²1).

س) كيف ينشأ ضغط الغازات؟

ضغط الغازات هو المحصلة لما تحدثه جزيئات الغاز من اصطدامات ذات قوة معينة بالأجسام التي تعترضها كجدران الإناء الذي يحتويها.

 

قياس الضغط الجوي باستخدام جهاز البارومتر

يحوي جو الأرض مزيجا من الغازات التي تمارس ضغطا يدعى الضغط الجوي، ويقاس بواسطة أداة تسمى البارومتر barometer وهو من اختراع العالم الإيطالي Torricelli. ويعتبر البارومتر الزئبقي ميزانا يمكننا من قياس ضغط الهواء في الجو.

ويمكن عمل البارومتر بإحدى طريقتين :

الطريقة الأولى : إذا وضعنا أنبوبة زجاجية رأسيا في كأس من الزئبق فإن الغازات الموجودة في الجو المحيط بالأنبوبة تؤثر على السطح الكلي للزئبق في داخل الأنبوبة وخارجها. عندئذ فإن ارتفاعي الزئبق داخل الأنبوبة وخارجها يتساويان ويعتبر النظام حينئذ متزنا.

فإذا قمنا بتوصيل الأنبوبة بعد ذلك بمضخة تفريغ لتفريغها من الهواء يرتفع الزئبق داخلها. وذلك لأن قوة الهواء الجوي المؤثرة على سطح الزئبق خارج الأنبوبة بقيت ثابتة بينما نقصت القوة المؤثرة داخلها. وفي النهاية وعند تفريغ الأنبوبة تماما من الهواء فإن مستوى الزئبق داخل الأنبوبة يرتفع حتى يصل إلى حوالي cm 76 Hg. عند ذلك يتساوى ضغط الهواء الجوي على سطح الزئبق مع الضغط الناتج عن عمود الزئبق على نفس السطح. أي أن الضغطين متزنان ولا يمكن لعمود الزئبق أن يرتفع أو ينخفض، وبذلك فإننا بحساب ضغط عمود الزئبق نكون قد حسبنا الضغط الجوي وضغط عمود الزئبق يساوي قوة هذا العمود مقسومة على المساحة التي تؤثر عليها هذه القوة. ولحساب هذه القوة توجد حاصل ضرب كتلة عمود الزئبق في تسارع الجاذبية :

أما الكتلة (m) فيمكن حسابها بمعرفة حجم عمود الزئبق وكثافته :

ولما كان عمود الزئبق على شكل أنبوبة أسطوانية فإن حجمه يساوي :

الحجم = ط x مربع نصف القطر × الإرتفاع

وبذلك فإن الكتلة تحسب :

وبالتالي :

والمساحة التي تؤثر عليها هذه القوة هي مساحة قاعدة الأنبوبة الأسطوانية وتساوي :

مساحة القاعدة = (ط نق۲)

وبالتعويض في المعادلة :

ومن العلاقة :

وبما أن تسارع الجاذبية (a) مقدار ثابت فإن الضغط يتناسب طرديا مع كتلة وحدة المساحة :

لذلك فإننا أن نعبر عن الضغط بوحدات رطل / بوصة مربعة (in² /1b)، أو كيلو جرام / متر مربع

(kg/m²) وحيث أن كثافة الزئبق (d) وتسارع الجاذبية (g) كميتان ثابتتان فإن الضغط يتناسب طرديا مع ارتفاع عمود الزئبق :

وهكذا فإننا يمكن أن نعبر عن وحدات الضغط ببوصة زئبق (inch Hg) أو سنتيمتر زئبق (cm Hg) أو مليمتر زئبق (mm Hg) . وقد اصطلح على أنه عند التعبير عن ارتفاع عمود الزئبق أن يعتبر الإرتفاع الذي يصل إليه العمود إذا كانت درجة حرارة الزئبق تساوي صفرا مئوية، لأن كثافة الزئبق وبالتالي ارتفاع العمود يعتمد على درجة حرارته. وعند الضرورة يمكن حساب الضغط، باعتبار القوة المؤثرة على وحدة المساحة، من ارتفاع عمود الزئبق أو من حساب الأرطال المؤثرة على البوصة المربعة.

 

الطريقة الثانية لعمل البارومتر الزئبقي : وهذه هي تجربة تورشيلي وتختلف عن الطريقة الأولى في أن الأنبوب الزجاجي في هذه المرة قبل تنكيسه في الحوض يملا تماما بالزئبق (وبالرغم من أن أي سائل غير الزئبق يصلح، إلا أن الزئبق له ميزة أنه لا يتطلب أنبوبة اختبار طويلة جدا). ويكون طول الأنبوب الزجاجي (البارومتر) (m1) تقريبا (mm880) ويكون مغلقا من طرف واحد ومفتوح من الطرف الآخر.

الخطوات

·         يملا الأنبوب الزجاجي تماما بالزئبق.

·         ينكس الأنبوب (يقلب) بحذر (carefully inverted) داخل وعاء من الزئبق حوض يحتوي على الزئبق) بحيث تغمر النهاية المفتوحة (بدون السماح للهواء بالدخول)، فنلاحظ أن بعض الزئبق يندفع للأسفل خارج الأنبوبة، ولكن الشيء الهام الذي نلاحظه هو أنه لا يندفع جميعه للخارج (لا ينسكب كله عند قلبه) ، وبالتالي فإن مستوى الزئبق في الأنبوبة الزجاجية ينخفض الى مستوى معين ثم يتوقف عن الإنخفاض محافظا على ارتفاع معين (h) فوق الخزان.

 

عند هذا المستوى فإن ضغط الهواء على سطح الزئبق في الوعاء يساوي الجذب السفلي للزئبق في الأنبوب. ومهما كان طول الأنبوبة ، فإن الفرق في الإرتفاع بين مستوى الزئبق داخل الأنبوبة وخارجها يكون دائما هو نفسه. وتوضح حقيقة أن الزئبق لا يندفع كله خارج الأنبوبة أنه يجب أن يكون هناك ضغط واقع على سطح الزئبق في الوعاء، بحيث يكفي ليتحمل عمود الزئبق ، ولا يوجد شيء جوهري في الحيز الموجود فوق مستوى الزئبق في الأنبوبة، لأنه عند درجة حرارة الغرفة لا يتبخر الزئبق كثيرا. والى مدى كبير من التقريب فإن الحيز عبارة عن فراغ (يهبط الزئبق في الأنبوب الى مستوى معين تاركا وراءه فراغا يسمى فراغ تورشيلي). لا يمارس أي ضغط على المستوى الأعلى للزئبق. ولذلك فإن الضغط عند قاع عمود الزئبق يعزي فقط الى وزن عمود الزئبق. ومن المعلوم كخاصية عامة للسوائل، فإنه عند مستوى معين في السائل يكون الضغط ثابتا ويقاس ضغط الهواء وفقا لارتفاع عمود الزئبق، المسافة العمودية بين السطح للزئبق في الوعاء المفتوح وتلك التي في الأنبوب المغلق حيث أن الضغط الممارس بواسطة الضغط الجوي يساوي الضغط الممارس بواسطة عمود الزئبق.

الضغط الناتج عن الزئبق في العمود PHg = ضغط الهواء الجوي على سطح الزئبق Patm

ويكون ارتفاع عمود الزئبق عند مستوى سطح البحر 760 ملم زئبق 760 mmHg، أي أن وزن عمود الزئبق في هذه الحالة يتعادل مع ضغط الهواء الجوي. وفي السنوات الحالية استخدمت الوحدة (تور) لتعبر عن الضغط وتعرف = torr1= 1 mmHg.

ويتغير الضغط الجوي من يوم الى آخر، ومن ارتفاع الى آخر وتبعا لذلك يتغير ارتفاع الزئبق في العمود لكن بشكل عام فإن الإرتفاع عند سطح البحر ودرجة حرارة (C° 0) هو بالضبط (mmHg760).

 

س) ما الذي يبقي عمود الزئبق في الأنبوب قائمة ؟

ج) بسبب قيام الهواء الجوي بالضغط على سطح الزئبق في الحوض داعما بذلك عمود الزئبق ومبقيا إياه عند الطول المحدد.

والضغط خارج العمود البارومتري هو بسبب قوة الغازات في الجو (Patm) المتجهة إلى أسفل، وفي داخل الأنبوب ينتج الضغط عند المستوى المرجعي (کسطح خزان) بسبب الجذب الى الأسفل للجاذبية على الزئبق في العمود (Pig) و عندما يتساوی هذان الضغطان المتضادان تماما ( PHg = Patm ) يبقى الزئبق في العمود ساكنا، لذلك فالضغط الجوي مرتبط مباشرة بطول عمود الزئبق (h) في البارومتر، ولذلك يمكن التعبير عنه بوحدات مليمترات من الزئبق (mmHg) أو تور (torr). ويكون ارتفاع عمود الزئبق ثابت في المكان الواحد أي يكون ذا طول محدد في المنطقة الواحدة (سواء المنطقة بحرا أو سهلا أو جبلا) وعند نفس درجة الحرارة.

وهذا يعني انه إذا اختلف المكان ارتفاعا أو انخفاضا (وبالتالي تتغير الجاذبية  لأرضية) أو اختلفت درجة الحرارة (وبالتالي تتغير الكثافة) فإن طول عمود الزئبق سيختلف وفقا لاختلاف الضغط الخارجي ولا يعتمد هذا الطول العمود الزئبق على قطر وطول الأنبوب الزجاجي ما دام هناك فراغ ظاهر فوق الزئبق، وهذا الحيز يكون عادة فراغا حيث الضغط فيه يساوي صفرا (0 = P) إلا أن طول عمود الزئبق (1) يتغير بتغير الضغط الجوي، فمثلا عند اقتراب عاصفة ينخفض الضغط الجوي، ويصبح العمود لذلك أقصر. إذا فارتفاع عمود الزئبق يعبر عن ما يعرف بالضغط البارومتري الذي نسمعه عن تنبؤات الطقس في الراديو والتليفزيون.

 

س) ما هو ارتفاع عمود الزئبق في الأنبوبة المنكسة عند سطح البحر وعند (C°0)؟

ج)

76cm = 760 mm

ولقد اتخذ هذا الطول کوحدة لقياس الضغط، فيقال إن الضغط الذي يجعل طول عمود الزئبق في البارومتر على ارتفاع (cm76) هو cmHg 76 أو (mm Hg760).

 

 

الضغط الجوي القياسي 

 الضغط الجوي القياسي Standard Atmosphere هو الضغط الذي يسند (يدعم - يحمل) عمودا من الزئبق طوله (mm 760) تم قياسه في درجة حرارة (C°0) عند سطح البحر). ويشار الى جو قياسي (Standard Atmosphere ) بالتعبير (atm1). وسوف نستعمل الجو القياسي (atm 1) كوحدتنا الأساسية للضغط. ولكن نظرا لأننا غالبا ما نقيس الضغط الجوي بواسطة بارومتر زئبقي، فإنه من الضروري أن نتذكر بأن (mm 760) من الزئبق تساوي جوا قياسيا واحدا. وكما أن الضغط الجوي يتأثر بالأعاصير (يتأثر بظروف الجو) فإنه يتفاوت بتفاوت الارتفاع عن مستوى سطح البحر، حيث ينخفض في الارتفاعات العالية ويرتفع في المناطق المنخفضة عن مستوى سطح البحر. وبالرغم من أن البارومترات المستخدمة في المختبر معبرة بوحدات مليمترات زئبق ( mmHg = torr ) فإن وحدات (SI) للضغط (وهي الباسكال) تبقى أسهل وذلك العلاقتها المباشرة بأبعاد القوة ووحدة المساحة (m²\N) ، إلا أن الضغط الجوي القياسي (atm) يبقى مرجعا سهلا للضغط في الثيرموديناميكا الكيميائية ويمكن استبدال الزئبق بسائل أخر مثل الماء.

.

مثال 

مثال /  ا كان الماء هو السائل المستخدم في بارومتر، فإذا علمت أن طول عمود الزئبق عند ضغط جوي واحد هو (cmHg76)، فكم سيكون طول عمود الماء (h) إذا كان الضغط الجوي يساوي (atm 1). علما بأن كثافة الزئبق تساوي (cm³/g13.6) وبصورة أدق (³g/cm 13.5951) وكثافة الماء تساوي (cm²/g 1).

الحل كثافة الزئبق تعادل (13.6 ) ضعف كثافة (H₂O) وهذا يعني أنه حتى يكون لدينا كتل متساوية من الزئبق والماء، فإن حجم الماء يجب أن يكون 13.6 مرة أكبر من حجم الزئبق :

وبما أننا نقارن أعمدة لها نفس القطر، فعمود الماء يجب أن يكون (13.6 ) مرة أطول من عمود الزئبق (Hg) حتى يحتوي عل (13.6 ) ضعف الحجم وبذلك :

طريقة أخرى للحل :

ينشأ الفرق في طول عمودي الماء والزئبق من الفرق في كثافتهما :

 

استنتاجات من المثال السابق :

1)      كلما زادت كثافة السائل المسنود في العمود بواسطة ضغط خارجي ما، نقص طول عمود السائل.

2)     الحسابات في المثال  السابق بأن هناك حدودا لعمق الآبار التي تستخدم فيها مضخات شفط الهواء حيث أن الهواء داخل أنابيبها فقط هو الذي يسحب الأمر الذي يعني أن الماء يدفع الى أعلى بواسطة الضغط الجوي. بما أن هذه العملية تعتمد كليا على الضغط الجوي فإنه لا يمكن استخراج أي مياه من عمق أكثر من (m10.3 ) تحت سطح الأرض. وحينئذ يجب استخدام الطلمبات ذات المحركات لاستخراج أي مياه من أعماق أكثر.

 

 

 

 

المصادر

1.      أحمد عبد العزير العويس و سليمان حماد الخويطر و عبد العزيز إبراهيم الواصل و عبد العزيز عبد الله السحيباني ، الكيمياء العامة ، دار الخريجي، الرياض، 1996م.

2.      جوردن م بارو، الكيمياء الفيزيائية، ترجمة أحمد محمد عزام، دار ماجروهيل، 1998م.

3.      سليمان حماد الخويطر و عبد العزيز عبد الله السحيباني، الثرموديناميك الكيميائي، دار الخريجي، الرياض، 1998م.

4.      سمير مصطفى المدني، أساسيات الكيمياء العامة، جامعة الملك سعود - النشر العلمي و المطابع، الرياض، 1998م.

5.      الكيمياء العامة - احمد بن عبدالعزيز العويس و آخرون- دار الخريجي للنشر و التوزيع ط2. 1996م.

6.      سمير مصطفى المدني ، كتاب أساسيات الكيمياء العامة ، ( منشورات جامعة الملك سعود1997 م.

7.       حسن محمد الحازمي و محمد إبراهيم الحسن ، كتاب الكيمياء العضوية ، مكتبة الخريجي 1990م.

8.      Ralph H. Petruccii and William S. Harwood, General Chemistry, Principle and Modern Applications, Prentice-Hall, New Gersey, 1997.

9.      James E. Brady and John R. Holum, Chemistry, The study of Matter and its Changes, Wiley, New York, 1993.

10.   Petter Atkins and Loretta Jones, Chemistry, Matter and Change, 3d Edition, W.H. Freedman and Co., New York, 1997.

11.    James E. Brady, General Chemistry, Principles and Structure, 5th Edition, Wiley, New York, 1990.

12.   David E. Goldberg, Schaum's Outline Series, Theory and Problems of Chemistry Foundations, International Editions, McGraw-Hill, New York, 1991.

13.   James E. Brady and John R. Holum, Fundamentals of Chemistry, 34 Edition, Wiley, New York, 1988.

14.   Raymond Chang, Chemistry, 5th Edition, International Edition, McGraw-Hill, New York, 1994.

15.   R. Abu-Etta, Y. Essa and A. El-Ansary, General Chemistry, Cairo University Press, 1998.

16.   P.W. Atkins, Physical Chemistry, Oxford Press, Oxford, UK, 1982.

17.    G.M. Barrow. Physical Chemistry, MacGraw-Hill, New York, USA, 1996.

18.   Maurice Wahba, Hanna A. Rizk, Introduction to Physical Chemistry, Anglo Egyptian, 1978.

19.   Robert A. Alberty and Robert J. Silby, Physical Chemistry, Wiley, New York, 1992.

20.  Whitten, etal , General Chemistry with Qualitative Analysis , 3rd ed., Saunders college publishing