نقش فشار، دما و چگالی در جریان سنجی گازها

گازها:
یکی از حالت‌های ماده میان چهار حالت ممکن (جامد، مایع، گازو پلاسما) است. گاز در واقع یک ماده قابل تراکمی است که نه تنها به شکل ظرف خود در می‌آید؛ بلکه تمام حجم خود را تا پر کردن آن ظرف نیز گسترش خواهد داد.
وابستگی حرکت اتم‌ها یا مولکول‌های ماده از یکدیگر در حالت گاز، بسیار کم‌تر از حالت‌های جامد یا مایع است. در این حالت از ماده، فاصله‌های مولکول‌ها از یکدیگر بسیار زیاد است و به همین دلیل، نیروهای برهم‌کنش مولکولی در آن، بسیار اندک هستند. همین فاصلهی زیاد بین ذرات است که گاز را از مایع و جامد متمایز می‌کند. این جدایی باعث می‌شود که گاز معمولاً بی‌رنگ و نامرئی در نگاه انسان باشد. یک نمونه ی بسیار شناخته شده ی گاز بخار آب است.
در حالت گازی نیز مولکول‌ها به ‌صورت کاتوره‌ای (Random) حرکت می‌کنند؛ اما از آنجا که فاصله آنها از یکدیگر زیاداست تعداد برخوردهای میان آن‌ها بسیار کم‌تر از حالت‌های دیگر ماده‌است. گازها نیز مانند مایعات و پلاسما از شاره‌ها (سیال ها) هستند.

گازهای ایده آل: گازی است که فقط در تئوری وجود دارد. در گازهای آیده آل، مولکول ها یکدیگر را جذب و یا دفع نمی کنند و به تنهایی حجمی اشغال نمی کنند.
در بسیاری از شرایط عادی، رفتار بسیاری از گازهای واقعی از نظر کیفی بسیار شبیه به گاز ایده‌آل است. بسیاری از گازها از قبیل نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن و گازهای نجیب و همچنین برخی گازهای سنگین تر از قبیل کربن دی‌اکسید را می‌توان تا دقت‌های بالایی گاز ایده‌آل فرض کرد. به صورت کلی گازها هر چه دمای بیشتر و فشار کمتری داشته باشند به گاز ایده‌آل نزدیک تر خواهند بود. در دماهای پایین و فشارهای بالا، نیروهای بین مولکولی و فاصله‌ها تاثیرگذارتر بوده و در نتیجه اگر گاز را گاز ایده‌آل در نظر بگیریم خطای زیادی خواهیم داشت، مانند بسیاری از مبردها یا گازهایی که نیروهای بین مولکولی قوی دارند مانند، بخار آب.
گاز واقعی(Real Gas): مولکول های گاز واقعی به تنهایی دارای حجم هستند وبه یکدیگر نیرو وارد می کنند. گازهایی هستند که در شرایط گازهای ایده‌آل صدق نمی‌کنند و انحراف زیادی را از حالت گاز ایده‌آل نشان می‌دهند.گازهای واقعی که در زندگی روزمره با آنها سروکار داریم را میتوان در دماهای بالا و فشارهای پایین ایده‌آل فرض کرد.بسیاری از گازها در دمای اتاق و فشار اتمسفر رفتاری شبیه به گازهای ایده آل دارند، و در صورت تغییر در فشار و دما، رفتار گاز تغییرات زیادی خواهد داشت.

با توجه به قانون PV=nRT که در آن P معادل فشار مطلق، V معادل حجم وT معادل دمای مطلق است. نقش فشار و دمای گازها در حجم و چگالی گاز و متعاقبا جریان آنها بسیار موثر است که در زیر به بررسی آنها می پردازیم.

فشار چیست؟
نسبت یک کمیت نرده ای است و به صورت نیروی عمودی وارده به یک سطح در یک نقطه تعریف می گردد. واحد فشار در دستگاه SI، پاسکال است که برابر با ۱ نیوتن بر متر مربع(N/m²) می باشد. برای بیان فشار از واحدهای متنوعی استفاده می‌شود. پاسکال، پوند بر اینچ مربع، میلیمتر ستون آب، اینچ جیوه، بار و اتمسفر برخی از واحدهای استفاده شده برای بیان فشار است. معادله ی فشار به صورت زیر است که در آن F اندازه نیروی عمودی و A مساحتی است که نیرو بر آن اعمال می‌شود.
P=F/A
به عنوان مثال فشار اتمسفریک (۱ بار) بوسیله نیروی وارده بر سطح زمین توسط هوا ایجاد می شود.

انواع فشار:
فشار مطلق : به مجموع فشار وارد بر یک سطح گفته می‌شود.اگر همه گازهای یک محفظه را حذف کنیم به فشار صفر مطلق می رسیم(خلا کامل) که برابر با منفی ۱.۰۱۳۲۵Bar است.
فشارگِیج(نسبی) : فشاری است که نسبت به فشار محیط سنجیده می‌شود. به عبارتی فشار نسبی که فشار گیج نیز خوانده می‌شود برابر است با فشار مطلق محفظه منهای فشار اتمسفر.
فشار خلا: هر فشاری کمتر از فشار اتمسفر را فشار خلا گویند. در نتیجه در مقیاس فشار مطلق، فشاری منفی وجود ندارد و کمترین فشار مطلق ممکن از لحاظ تئوری فشار صفر است.
فشار بخار: فشار بخار، فشار بخاری است که در تعادل ترمودینامیکی با فاز مایع آن ماده در یک سیستم بسته قرار دارد.
فشار جزئی گازها: فشاری است که در مخلوطی از گازها، در همان دما اگر هر گاز به تنهایی در ظرف وجود داشت اعمال می‌کرد.

فشار صفر مطلق :
خلا کامل= ۰ Bar (abs)
فشار بارمطلق=Bar+ 1.01325
فشار مطلق برای اندازه گیری فلو(جریان سنجی) بسیار حائز اهمیت است.

مثال:
فشار در یک فرآیند از ۱Bar به ۳Bar تغییر پیدا کرده است. درصد افزایش فشار چقدر است؟
ممکن است به نظر برسد که جواب این باشد که فشار ۳برابر شده است(۳۰۰%) ولی آن چه در اندازه گیری فلو(جریان سنجی) حائز اهمیت است فشار مطلق است. بنابراین:
(۳+۱.۰۱۳۲۵) ÷(۱+۱.۰۱۳۲۵)=۱.۹۹۳
پس جواب درست ۹۹.۳% خواهد بود.

دما

میزان گرمی و سردی که در مقیاس های قراردادی نشان داده می شود و نشانگر جهت جریان یافتن انرژی گرمایی است.
حذف گرما از سیالات باعث کاهش دمای آن می شود. اگر همه گرما از یک سیال گرفته شود، به دمای صفر مطلق (Absolute Temperature) می رسیم که برابر با ۲۷۳- سانتی گراد (منفی ۲۷۳ سانتی گراد) است.
مقیاس های دمای مطلق: دمای صفر مطلق برابر با ۰ درجه کلوین یا ۰ درجه رانکین است. از این رو برای تبدیل درجه حرارت بر حسب سانتی گراد و فارنهایت باید از فرمول زیر استفاده کنیم:
کلوین(K): دما بر حسب درجه سانتی گراد + ۲۷۳
رانکین(R): دما بر حسب فارنهایت + ۴۶۰
انچه در جریان سنجی حائز اهمیت است دمای مطلق (Absolute temperature) است.

مثال:
اگر دمای یک سیال در فرآیند از از۲۰درجه سانتی گراد به ۶۰درجه سانتی گراد تغییر کند، در صد تغییر دما چگونه است؟
ممکن است به نظر برسد که دما ۱۰۰درصد افزایش یافته است اما همانگونه که قبلا گفته شد انچه در جریان سنجی حائز اهمیت است دمای مطلق است.
(۶۰+۲۷۳) ÷ (۲۰+۲۷۳)= ۱.۱۳۷
پس درصد تغییر دما ۱۳.۷ درصد خواهد بود.

چگالی(ِDensity) چیست؟
چگالی برابر است با نسبت وزن یک ماده بر حجم آن.
Ƿ=m/V
اگر چگالی جسمی کمتر از مایع باشد، در آن مایع شناور می‌شود و در غیر اینصورت در آن غرق می گردد.

چگالی نسبی(Specific Gravity) :
چگالی نسبی یک سیال عبارت است از نسبت چگالی آن جسم بر چگالی ماده مرجع در شرایط استاندارد. ماده مرجع می‌تواند هر ماده ای تعریف شود اما برای مایعات معمولاً آب و برای گازها معمولاً هوا به عنوان ماده مرجع انتخاب می‌شود.
پس چگالی نسبی برای مایعات اینگونه تعریف می شود:
SG= ƿ(liquid) / ƿ(water)
و چگالی نسبی برای گازها نیز به روش زیر:
SG= ƿ(gas) / ƿ(air)

برای مثال جیوه مایع دارای چگالی ۱۳.۶kg در لیتر است.بنابراین با توجه به اینکه چگالی آب در شرایط استاندارد برابر با ۱kg بر لیتر است، نتیجه گیری می شود که چگالی نسبی جیوه مایع ۱۳.۶kg بر لیتر است.
و برای دی اکسید کربن که دارای چگالی ۱.۹۷۶g در لیتر است و با توجه به اینکه چگالی هوا در شرایط استاندارد برابر با ۱.۲۹g بر لیتر است، نتیجه گیر ی می شود که چگالی نسبی دی اکسید کربن ۱.۵۳g(1.976/1.29) بر لیتر است.
شناوری به چگالی نسبی مربوط است.اگر یک جسم چگالی نسبی کمتری نسبت به سیال داشته باشد، در آن سیال شناور خواهد شد.
چگالی نسبی یک جسم نمی تواند صفر باشد. اگر چگالی نسبی صفر باشد، به این معنی است که چگالی آن جسم صفر است و در نتیجه جرم جسم صفر است. این موضوع در زمانی که جسم فضایی را اشغال کرده است، ممکن نیست.
چگالی معمولا تحت تاثیر دما و فشار تغییر می کند.این تغییرات برای مایعات تقریبا ناچیز است ولی برای گازها می تواند چشمگیر باشد. افزایش فشار در یک سیال تراکم پذیر باعث کاهش حجم و در نتیجه افزایش چگالی می گردد. افزایش دمای یک سیال نیز باعث افزایش حجم شده و در نتیجه چگالی آن کاهش می یابد.