Paine (fysiikka): Määritelmä, yksiköt, kaava ja esimerkit

Paine on yksi fysiikan tärkeimmistä käsitteistä. Vaikka sinulla on epäilemättä jonkinlainen käsitys siitä, mikä paine on esimerkiksi ilmakehän painelukemista säätiedotteet tai vedenpaine kodin lämmitysjärjestelmässä, kun opiskelet fysiikkaa, yksityiskohdat todella asia. Paineen tarkan määritelmän oppiminen auttaa ymmärtämään kaasuihin, termodynamiikkaan, kelluvuuteen ja paljon muuta liittyviä keskeisiä käsitteitä.

Paine määritellään yksinkertaisestivoiman määrä pinta-alayksikköä kohti. Avainasemassa, kun yrität ymmärtää paineita, on miettiä, mitä tapahtuu atomitasolla nesteessä tai kaasussa korkeassa paineessa. Molekyylit liikkuvat jatkuvasti ympäriinsä, mikä tarkoittaa, että ne törmäävät koko ajan astian seiniin. Mitä enemmän he liikkuvat (korkeamman lämpötilan vuoksi), sitä enemmän ne törmäävät astian seinämiin ja sitä suurempi paine.

Määritelmä muuttaa yksinkertaisesti tämän yleiskuvan selkeäksi, fyysiseksi määritelmäksi. Joka kerta, kun molekyyli osuu astian sivuun, se antaa voiman siihen, ja näiden voimien summa pienessä sisäosassa on kokonaispaine. Kätevin tapa tehdä tämä on valita alue, joka on yksi "yksikkö" neliö valitussa mittausjärjestelmässä, mikä tarkoittaa "pinta-alayksikköä" määritelmässä.

Matemaattisesti voit määrittää paineen seuraavasti:

MissäPon paine,Fon pinnan voima jaAon alue.

SI-paineyksikkö onPascal (Pa)jossa 1 Pa = 1 N / m²eli yksi Newton neliömetriä kohti. Newton on voimayksikkö, joten on helppo nähdä, että Pascal täyttää painoyksikköä koskevat vaatimukset. Pascal on kuitenkin melko pieni yksikkö esimerkiksi ilmakehän paineelle, joten myös vaihtoehtoja on melko paljon. Yksi yksinkertaisimmista tavoista tehdä tämä on yksinkertaisesti käyttää kPa: ta (ts. Kilopascaleja tai tuhansia passeja), mutta on myös muita vaihtoehtoja.

Tunnetuin vaihtoehtoinen yksikkö onpuntaa neliötuumaa kohti (psi), jota käytetään Yhdysvalloissa esimerkiksi vedenpaineeseen. Ilmanpaineelle käytetään usein asianmukaisesti nimettyä yksikköä "ilmakehät" (atm), koska 1 atm vastaa ilmanpainetta merenpinnalla. Torr on ilmakehän paineisiin käytetty vaihtoehtoinen yksikkö, joka määritellään 1/760: ksi ilmakehässä eli 133,3 Pa. Meteorologiassa käytetään usein millibaareja, joissa 1 bar = 100 000 Pa ja 1 millibaari = 100 Pa.

Lopuksi on vielä joitain epätavallisempia paineyksiköitä, mukaan lukien millimetrit elohopeaa (mmHg), joka määritellään 1 mm korkean elohopeapylvään aiheuttaman paineen perusteella, ja sitä käytetään usein vereen paine.

Tämä oli alun perin torrin tarkoitus, joten sen ei pitäisi olla niin yllätys, että nämä kaksi ovat olennaisesti sama: 1 mmHg = 133,322 Pa. Lopuksi joissakin tapauksissa paine mitataan arvona dyne / neliö senttimetri. Tässä dyni on voimayksikkö, jossa 1 dyne = 0,00001 Newtonia, joten 1 dyne neliösenttimetriä kohden on 0,1 Pa.

Ilmanpaine merenpinnalla on yhtä suuri kuin noin 101 325 Pa. Tämä on avaltavaarvo - se on enemmän kuin painovoima 10000 kiloon ainetta, joka työntää sinua alaskoko ajan. Paine on pohjimmiltaan juuri tämä, mutta asia on itse asiassa ilma: Paine johtuu kirjaimellisesti maapinnan yli työntyvän ilman painosta.

Tämä saattaa tuntua oudolta, koska et koskaanilmoitusilmanpaine, vaikka se on niin massiivinen, mutta olet kehittynyt tässä ympäristössä, joten et huomaa sitä. On olemassa paine, joka ottaa huomioon myös tämän, kutsutaanylipaine. Tämä on absoluuttisen paineen (ts. Kokonaispaineen) ja ilmakehän paineen ero.

Esimerkiksi, jos autossasi on täysin tyhjä rengas, kun kytket mittarin, sen lukema on nolla. On kuitenkinilmaarenkaan sisällä, joka on ilmanpaineessa; vain, että nämä tiedot eivät ole oikeastaan ​​merkityksellisiä, kun olet kiinnostunut siitä, onko jotain autonrenkaan kaltaista paineistettua. Absoluuttista painetta on edelleen, mutta tässä tapauksessa (ja monissa muissa) mittapaine on oikeastaan ​​se, mitä sinun on tiedettävä.

Veden paine on yksi tunnetuimmista paineen muodoista jokapäiväisessä elämässä, mutta hydrostaattisessa tilanteessa (sellainen, jossa vesi ei virtaa), paine toimii eri tavalla kuin veden lämmityksessä järjestelmään. Tämä on kuitenkin mielenkiintoinen tilanne tarkasteltavaksi, kun opit ensin paineesta, koska paine tällaisessa tilanteessa riippuu syvyydestä.

Paine (P) missä tahansa syvyydessä (d) saadaan yhtälöllä:

Missäρ("Rho") on nesteen tiheys jagon painovoiman aiheuttama kiihtyvyys (maapallolla,g= 9,81 m / s²). Veden tiheys 20 ° C: ssa onρ= 998 kg / m³, mutta yleensä laskelmat yksinkertaistuvat huomattavasti, jos oletetaan, että lämpötila on 4 ° C, missäρ= 1000 kg / m³ tai 1 g / cm³. Joten jos lasket veden painetta 25 metrin syvyydessä, yhtälö osoittaa:

Barometri on laite ilmanpaineen (joskus kutsutaan ilmanpaineeksi) mittaamiseksi, joka toimii käyttämällä elohopeapylvästä. Elohopeaa sisältävä putki - avoin toisesta päästä - käännetään ylösalaisin ja sijoitetaan säiliöön, joka sisältää myös elohopeaa. Kun se on perustettu, säiliö on avoin ilmakehälle, mutta putkessa oleva elohopea on kosketuksessa vain säiliöön, ja putken kääntöprosessi luo tyhjiön yläosaan.

Barometri mittaa painetta, koska ilmakehän paineesta johtuva voima (pohjimmiltaan paino ilmasta) työntää alas elohopeaa säiliössä ja työntää siten elohopean putkeen ylös.

Jos elohopeapylväs luo yhtä suuren voiman alaspäin (edellisen osan vedenpaineyhtälö kuvaa tämän alkuperän voimaa), muutosta ei tapahdu, mutta jos ilmanpaine on korkeampi, putken elohopeapitoisuuden on noustava vastaavalla määrällä voimat. Asteikkokalibroinnin jälkeen tätä yksinkertaista järjestelmää voidaan käyttää ilmanpaineen mittaamiseen.

On muitakin esimerkkejä paineista, jotka tunnet myös jokapäiväisestä elämästä, mukaan lukien verenpaine. Tämä on (mittari) paine, jonka sydämesi aiheuttaa pumppaamalla verta kehosi ympärille, ja tämä mitataan millimetreinä elohopea), ja sinulla on kaksi lukemaa: systolinen painetta varten, kun sydämesi työntyy ulos, ja diastolinen painetta varten lyöntiä. Tietenkin paine lyöntien aikana on näiden kahden suurempi luku, ja 90/60 mmHg: n ja 120/80 mmHg: n välillä pidetään ihanteellista.

Ilmanpaine on myös keskeinen käsite meteorologiassa, joka kartoittaa korkeapaineisten ja matalapaineisten järjestelmien sijainnit ja liikkeet säämuutosten ennustamiseksi. Ilmanpaineen ja lämpötilan välisen suhteen ja mitä tapahtuu, kun matalapainejärjestelmä tapaa korkean paineen järjestelmän, meteorologit ennustavat lämpötilat ja asiat, kuten tuuli eri alueilla.