Tlak je jedan od najvažnijih pojmova u fizici. Iako ćete nesumnjivo imati predodžbu o tome kakav je tlak od stvari kao što su zadana očitanja atmosferskog tlaka vremenski izvještaji ili pritisak vode u sustavu grijanja vašeg doma, dok studirate fiziku, detalji stvarno materija. Učenje precizne definicije tlaka pomaže vam u razumijevanju ključnih pojmova povezanih s plinovima, termodinamikom, uzgonom i mnogo više.
Definicija tlaka
Tlak se jednostavno definira kaokoličina sile po jedinici površine. Ključna točka kada pokušavate razumjeti pritisak je razmišljati o tome što se događa na atomskoj razini u tekućini ili plinu pod visokim tlakom. Sastavne molekule neprestano se kreću, a to znači da se cijelo vrijeme sudaraju sa stijenkama spremnika. Što se više kreću (zbog viših temperatura), to se više udaraju u stijenke posude i veći je pritisak.
Definicija onda ovu opću sliku jednostavno pretvara u jasnu, fizičku definiciju. Svaki put kad molekula udari u boku spremnika, ona mu nanese silu, a zbroj tih sila za mali dio unutrašnjosti je ukupni tlak. Najprikladniji način za to je odabrati područje koje je jedna "jedinica" na kvadrat u vašem odabranom mjernom sustavu, što u definiciji znači "po jedinici površine".
Matematički pritisak možete definirati kao:
P = \ frac {F} {A}
GdjeStrje pritisak,Fje sila na površini iAje područje.
Jedinice tlaka
SI jedinica tlaka jePascal (Pa), gdje je 1 Pa = 1 N / m2, tj. jedan Newton po kvadratnom metru. Newton je jedinica snage, pa je lako vidjeti da Pascal udovoljava zahtjevima za jedinicu tlaka. Međutim, Pascal je prilično mala jedinica za stvari poput atmosferskog tlaka, tako da se koristi i velik broj alternativa. Jedan od najjednostavnijih načina za to je jednostavna upotreba kPa (tj. Kilopaskala ili tisuće paskala), ali postoje i druge mogućnosti.
Najpoznatija alternativna jedinica jefunti po kvadratnom inču (psi), koji se u SAD-u koristi za stvari poput tlaka vode. Za atmosferski tlak često se koristi odgovarajuće nazvana jedinica "atmosfere" (atm), jer 1 atm odgovara atmosferskom tlaku na razini mora. Torr je alternativna jedinica koja se koristi za atmosferske tlakove, a koja je definirana kao 1/760 an atmosferi ili 133,3 Pa. U meteorologiji se često koriste milibari, gdje je 1 bar = 100 000 Pa i 1 milibar = 100 Pa.
Napokon, postoje neke još neobičnije jedinice za tlak, uključujući milimetre žive (mmHg), koje definira se na temelju pritiska koji vrši 1 mm visok stupac žive i često se koristi za krv pritisak.
Torru je ovo prvotno bila namjera, pa ne bi trebalo toliko čuditi što njih dvoje jesu u osnovi isti: 1 mmHg = 133,322 Pa. Konačno, u nekim se slučajevima tlak mjeri kao vrijednost u dinama po kvadratu centimetar. Ovdje je din jedinica snage s 1 dinom = 0,00001 Njutna, pa je tako 1 din po kvadratnom centimetru jednak 0,1 Pa.
Atmosferski pritisak
Atmosferski tlak na razini mora jednak je 1 atmosferi ili oko 101 325 Pa. To je aogromanvrijednost - to je više od sile gravitacije na 10 000 kg materije koja vas pritiska prema doljecijelo vrijeme. Tlak je u osnovi samo ovo, ali stvar je zapravo zrak: Pritisak je doslovno uzrokovan težinom zraka koji se gura prema površini Zemlje.
Ovo bi moglo izgledati čudno jer nikadobavijestatmosferski tlak, iako je tako masivan, ali evoluirali ste u ovom okruženju, pa ga ne primjećujete. Postoji mjera pritiska koja uzima u obzir i to, tzvmanometrski tlak. To je razlika tlaka između apsolutnog tlaka (tj. Ukupnog tlaka) i atmosferskog tlaka.
Na primjer, ako vam je na automobilu potpuno probušena guma, kada spojite mjerač, on će očitati nulu. Međutim, postojizrakunutar gume koja je pod atmosferskim tlakom; samo što ti podaci zapravo nisu relevantni kada vas zanima je li nešto poput automobilske gume prikladno pod tlakom. Još uvijek postoji apsolutni tlak, ali u ovom slučaju (i mnogim drugima) manometar je stvarno ono što trebate znati.
Pritisak vode
Pritisak vode jedan je od najpoznatijih oblika pritiska u svakodnevnom životu, ali u hidrostatskoj situaciji (onaj u kojem voda ne teče), tlak djeluje drugačije od načina na koji radi u vašem grijanju vode sustav. Međutim, ovo je zanimljiva situacija koju trebate pogledati kad prvi put učite o pritisku, jer pritisak u ovakvoj situaciji ovisi o dubini.
Pritisak (Str) na bilo kojoj dubini (d) dana je jednadžbom:
P = ρgd
Gdjeρ("Rho") je gustoća tekućine igje ubrzanje zbog gravitacije (na Zemlji,g= 9,81 m / s2). Gustoća vode na 20 ° C jeρ= 998 kg / m3, ali općenito su izračuni uvelike pojednostavljeni ako pretpostavite temperaturu od 4 ° C, gdjeρ= 1000 kg / m3 ili 1 g / cm3. Dakle, ako računate tlak vode na dubini od 25 m, jednadžba pokazuje:
\ start {poravnato} P & = ρgd \\ & = 1000 \ text {kg / m} ^ 3 × 9,81 \ text {m / s} ^ 2 × 25 \ text {m} \\ & = 245250 \ text {Pa } = 245,3 \ text {kPa} \\ \ kraj {poravnato}
Kako djeluje barometar
Barometar je uređaj za mjerenje atmosferskog tlaka (koji se ponekad naziva i barometarski tlak) koji djeluje pomoću stupca žive. Cijev koja sadrži živu - otvorena na jednom kraju - okreće se i stavlja u spremnik koji također sadrži živu. Kad se postavi, ležište je otvoreno za atmosferu, ali živa u cijevi je u kontaktu samo s rezervoarom, a postupak okretanja cijevi stvara vakuum na vrhu.
Barometar mjeri tlak jer sila uslijed atmosferskog tlaka (u osnovi težina zraka) gura živu u rezervoaru i time gura živu u cijevi gore.
Ako stub žive stvara jednako veliku silu usmjerenu prema dolje (jednadžba tlaka vode iz prethodnog odjeljka opisuje podrijetlo ove sile), neće biti promjena, ali ako je tlak zraka veći, razina žive u cijevi morat će se povećati za odgovarajući iznos kako bi se uravnotežio sile. Nakon kalibracije vage, ovaj jednostavan sustav može se koristiti za mjerenje tlaka zraka.
Ostali primjeri
Postoje i drugi primjeri pritiska koji će vam biti poznati i iz svakodnevnog života, uključujući krvni tlak. Ovo je (manometar) tlak koji stvara vaše srce pumpajući krv oko tijela, a to je mjera u mmHg (milimetri živa), a imate dva očitanja: sistolički za tlak kad vam srce istisne i dijastolički za tlak između otkucaja. Naravno, pritisak tijekom otkucaja veći je broj od njih dvoje, a između 90/60 mmHg i 120/80 mmHg smatra se idealnim.
Zračni tlak također je presudan koncept u meteorologiji, koji mapira položaje i kretanje visokotlačnih i niskotlačnih sustava za predviđanje vremenskih promjena. Kroz odnos između atmosferskog tlaka i temperature i onoga što se događa kada sustav s niskim tlakom zadovoljava sustav visokog tlaka, meteorolozi predviđaju temperature i stvari poput vjetra u različitim regijama.