Tlak je jedním z nejdůležitějších pojmů ve fyzice. I když nepochybně budete mít určitou představu o tom, co je tlak, například z údajů o atmosférickém tlaku zprávy o počasí nebo tlak vody v topném systému vašeho domu, když studujete fyziku, opravdu podrobnosti hmota. Naučit se přesnou definici tlaku vám pomůže pochopit klíčové pojmy týkající se plynů, termodynamiky, vztlaku a mnohem více.
Definice Pressure
Tlak je jednoduše definován jakomnožství síly na jednotku plochy. Klíčovým bodem, když se snažíte porozumět tlaku, je přemýšlet o tom, co se děje na atomové úrovni v kapalině nebo plynu za vysokého tlaku. Molekuly složek se neustále pohybují, což znamená, že neustále narážejí do stěn nádoby. Čím více se pohybují (kvůli vyšším teplotám), tím více narážejí do stěn nádoby a tím vyšší je tlak.
Definice pak jednoduše změní tento obecný obraz na jasnou fyzickou definici. Pokaždé, když molekula narazí na stranu nádoby, vloží jí sílu a součet těchto sil pro malou část vnitřku je celkový tlak. Nejpohodlnější způsob, jak toho dosáhnout, je vybrat oblast, která je ve zvoleném měřicím systému na druhou „jednotkou“, což v definici znamená „na jednotku plochy“.
Matematicky můžete definovat tlak jako:
P = \ frac {F} {A}
KdePje tlak,Fje síla na povrchu aAje oblast.
Tlakové jednotky
SI jednotka tlaku jePascal (Pa), kde 1 Pa = 1 N / m2, tj. jeden Newton na metr čtvereční. Newton je jednotka síly, takže je snadné zjistit, že Pascal splňuje požadavky na jednotku tlaku. Pascal je však docela malá jednotka pro věci, jako je atmosférický tlak, takže se také používá poměrně velké množství alternativ. Jedním z nejjednodušších způsobů, jak toho dosáhnout, je jednoduše použít kPa (tj. Kilopascaly nebo tisíce pascalů), ale existují i jiné možnosti.
Nejznámější alternativní jednotka jeliber na čtvereční palec (psi), který se v USA používá například pro tlak vody. Pro atmosférický tlak se často používá příslušně pojmenovaná jednotka „atmosfér“ (atm), protože 1 atm odpovídá atmosférickému tlaku na úrovni moře. Torr je alternativní jednotka používaná pro atmosférické tlaky, která je definována jako 1/760 z atmosféra nebo 133,3 Pa. V meteorologii se často používají milibary, kde 1 bar = 100 000 Pa a 1 milibar = 100 Pa.
Konečně existují ještě neobvyklejší jednotky tlaku, včetně milimetrů rtuti (mmHg), které je definován na základě tlaku vyvíjeného 1 mm vysokým sloupcem rtuti a často se používá pro krev tlak.
To byl původně záměr torr, a proto by nemělo být tak velkým překvapením, že tito dva jsou v podstatě to samé: 1 mmHg = 133 322 Pa. Nakonec se v některých případech měří tlak jako hodnota v dynu na čtverec centimetr. Zde je dyn jednotkou síly s 1 dynem = 0,00001 Newtonů, a tedy 1 dyn na centimetr čtvereční se rovná 0,1 Pa.
Atmosférický tlak
Atmosférický tlak na hladině moře se rovná 1 atmosféře, neboli kolem 101 325 Pa. To je aobrovskýhodnota - je to více než gravitační síla na 10 000 kg hmoty, která na vás tlačí dolůpo celou dobu. Tlak je v podstatě jen tento, ale hmota je ve skutečnosti vzduch: Tlak je doslova způsoben váhou vzduchu, který tlačí dolů po povrchu Země.
To se může zdát divné, protože nikdyoznámeníatmosférický tlak, i když je tak masivní, ale vy jste se vyvinuli v tomto prostředí, a tak si toho nevšimnete. Existuje také určitá míra tlaku, která bere toto v úvahuměřicí tlak. Jedná se o tlakový rozdíl mezi absolutním tlakem (tj. Celkovým tlakem) a atmosférickým tlakem.
Například pokud máte na svém autě úplně prázdnou pneumatiku, po připojení měřidla by se zobrazila nula. Existuje všakvzduchuvnitř pneumatiky, která je pod atmosférickým tlakem; je to jen to, že tyto informace nejsou opravdu relevantní, pokud vás zajímá, zda je něco jako pneumatika pro auto správně pod tlakem. Stále existuje absolutní tlak, ale v tomto případě (a mnoha dalších) je přetlak skutečně to, co potřebujete vědět.
Tlak vody
Tlak vody je jednou z nejznámějších forem tlaku v každodenním životě, ale v hydrostatické situaci (kde voda neproudí), tlak pracuje jinak než ve vašem ohřevu vody Systém. Jedná se však o zajímavou situaci, na kterou je třeba se podívat, když se poprvé dozvíte o tlaku, protože tlak v takové situaci závisí na hloubce.
Tlak (P) v jakékoli hloubce (d) je dán rovnicí:
P = ρgd
Kdeρ(„Rho“) je hustota kapaliny aGje gravitační zrychlení (na Zemi,G= 9,81 m / s2). Hustota vody při 20 ° C jeρ= 998 kg / m3, ale obecně jsou výpočty značně zjednodušené, pokud předpokládáte teplotu 4 ° C, kdeρ= 1000 kg / m3 nebo 1 g / cm3. Pokud tedy počítáte tlak vody v hloubce 25 m, rovnice ukazuje:
\ begin {aligned} P & = ρgd \\ & = 1000 \ text {kg / m} ^ 3 × 9,81 \ text {m / s} ^ 2 × 25 \ text {m} \\ & = 245250 \ text {Pa } = 245,3 \ text {kPa} \\ \ end {zarovnáno}
Jak funguje barometr
Barometr je zařízení pro měření atmosférického tlaku (někdy nazývaného barometrický tlak), které funguje pomocí kolony rtuti. Trubice obsahující rtuť - na jednom konci otevřená - je obrácena a umístěna do zásobníku, který také obsahuje rtuť. Když je nastaven, je nádrž otevřená do atmosféry, ale rtuť v trubici je pouze v kontaktu s rezervoárem a proces převrácení trubice vytváří vakuum v horní části.
Barometr měří tlak, protože síla v důsledku atmosférického tlaku (v podstatě hmotnost vzduchu) tlačí dolů na rtuť v zásobníku a tím tlačí rtuť v trubici nahoru.
Pokud sloupec rtuti vytvoří stejně velkou sílu směřující dolů (rovnice tlaku vody z předchozí části popisuje původ tohoto síla), nedojde k žádné změně, ale pokud je tlak vzduchu vyšší, hladina rtuti v trubici se bude muset zvýšit o odpovídající množství, aby se vyrovnal síly. Po kalibraci váhy lze tento jednoduchý systém použít k měření tlaku vzduchu.
Další příklady
Existují i další příklady tlaku, se kterými se seznámíte také z každodenního života, včetně krevního tlaku. Toto je (měřicí) tlak vytvářený srdcem, které pumpuje krev kolem vašeho těla, a je měřen v mmHg (milimetrech rtuť) a máte dvě hodnoty: systolický tlak, když vaše srdce tlačí ven, a diastolický tlak mezi bije. Samozřejmě, tlak během úderů je vyšší počet z těchto dvou a mezi 90/60 mmHg a 120/80 mmHg je považován za ideální.
Tlak vzduchu je také zásadním konceptem v meteorologii, která mapuje polohy a pohyby vysokotlakých a nízkotlakých systémů za účelem předpovědi změn počasí. Prostřednictvím vztahu mezi atmosférickým tlakem a teplotou a tím, co se stane, když je nízkotlaký systém splňuje vysokotlaký systém, meteorologové předpovídají teploty a věci jako vítr v různých oblastech.
