Ciśnienie (fizyka): definicja, jednostki, wzór i przykłady

Ciśnienie jest jednym z najważniejszych pojęć w fizyce. Chociaż bez wątpienia będziesz miał pojęcie o tym, jakie jest ciśnienie z takich rzeczy, jak odczyty ciśnienia atmosferycznego podane w prognozy pogody lub ciśnienie wody w systemie ogrzewania domu, kiedy studiujesz fizykę, szczegóły naprawdę the materia. Poznanie dokładnej definicji ciśnienia pomaga zrozumieć kluczowe pojęcia związane z gazami, termodynamiką, wyporem i wieloma innymi.

Ciśnienie jest po prostu definiowane jakoilość siły na jednostkę powierzchni. Kluczowym punktem, kiedy próbujesz zrozumieć ciśnienie, jest zastanowienie się, co dzieje się na poziomie atomowym w cieczy lub gazie pod wysokim ciśnieniem. Cząsteczki składowe nieustannie się poruszają, a to oznacza, że ​​cały czas wpadają na ścianki pojemnika. Im bardziej się poruszają (ze względu na wyższą temperaturę), tym bardziej uderzają o ścianki pojemnika i tym większe jest ciśnienie.

Definicja po prostu zamienia ten ogólny obraz w jasną, fizyczną definicję. Za każdym razem, gdy cząsteczka uderza w bok pojemnika, wywiera na niego siłę, a suma tych sił dla niewielkiej części wnętrza jest ciśnieniem całkowitym. Najwygodniejszym sposobem, aby to zrobić, jest wybranie obszaru, który jest jedną „jednostką” do kwadratu w wybranym systemie miar, co oznacza „na jednostkę powierzchni” w definicji.

Matematycznie możesz zdefiniować ciśnienie jako:

GdziePjest presja,fajest siła na powierzchni iZAto obszar.

Jednostką ciśnienia w układzie SI jestPaskal (Pa), gdzie 1 Pa = 1 N/m², czyli jeden Newton na metr kwadratowy. Newton jest jednostką siły, więc łatwo zauważyć, że Pascal spełnia wymagania dla jednostki ciśnienia. Jednak Pascal jest dość małą jednostką do takich rzeczy, jak ciśnienie atmosferyczne, więc w użyciu jest również całkiem duża liczba alternatyw. Jednym z najprostszych sposobów, aby to zrobić, jest po prostu użycie kPa (tj. kilopaskali lub tysięcy paskali), ale są też inne opcje.

Najbardziej znaną jednostką alternatywną jestfunty na cal kwadratowy (psi), który jest używany w USA do takich informacji jak ciśnienie wody. W przypadku ciśnienia atmosferycznego często używa się odpowiednio nazwanej jednostki „atmosfery” (atm), ponieważ 1 atm odpowiada ciśnieniu atmosferycznemu na poziomie morza. Torr jest alternatywną jednostką stosowaną dla ciśnień atmosferycznych, która jest definiowana jako 1/760 an atmosfery lub 133,3 Pa. W meteorologii często stosuje się milibary, gdzie 1 bar = 100 000 Pa i 1 milibar = 100 Pa.

Wreszcie istnieje kilka jeszcze bardziej nietypowych jednostek ciśnienia, w tym milimetry słupa rtęci (mmHg), które jest definiowany na podstawie ciśnienia wywieranego przez kolumnę rtęci o wysokości 1 mm i jest często stosowany do krwi nacisk.

To było pierwotnie intencją torra, więc nie powinno dziwić, że ci dwaj są zasadniczo takie same: 1 mmHg = 133,322 Pa. Wreszcie, w niektórych przypadkach ciśnienie jest mierzone jako wartość w dynach na kwadrat centymetr. Tutaj dyna jest jednostką siły, gdzie 1 dyna = 0,00001 Newtona, a więc 1 dyna na centymetr kwadratowy równa się 0,1 Pa.

Ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza wynosi 1 atmosfery, czyli około 101 325 Pa. To jest aolbrzymiwartość – to więcej niż siła grawitacji działająca na 10 000 kg materii, która naciska na Ciebiecały czas. Ciśnienie jest w zasadzie tylko tym, ale materią jest w rzeczywistości powietrze: ciśnienie jest dosłownie spowodowane ciężarem powietrza napierającego na powierzchnię Ziemi.

To może wydawać się dziwne, ponieważ nigdyogłoszenieciśnienie atmosferyczne, mimo że jest tak ogromne, ale ewoluowałeś w tym środowisku, więc go nie zauważasz. Istnieje również miara ciśnienia, która również to uwzględnia, zwananadciśnienie. Jest to różnica ciśnień między ciśnieniem bezwzględnym (tj. ciśnieniem całkowitym) a ciśnieniem atmosferycznym.

Na przykład, jeśli masz całkowicie przebitą oponę w samochodzie, po podłączeniu miernika odczytałby zero. Jednak jestpowietrzewewnątrz opony pod ciśnieniem atmosferycznym; po prostu te informacje nie są tak naprawdę istotne, gdy interesuje Cię, czy coś takiego jak opona samochodowa jest odpowiednio pod ciśnieniem. Nadal istnieje ciśnienie bezwzględne, ale w tym przypadku (i wielu innych) ciśnienie manometryczne jest naprawdę tym, co musisz wiedzieć.

Ciśnienie wody jest jedną z najbardziej znanych form ciśnienia w życiu codziennym, ale w sytuacji hydrostatycznej (taka, w której woda nie płynie), ciśnienie działa inaczej niż w przypadku podgrzewania wody system. Jest to jednak interesująca sytuacja, na którą warto zwrócić uwagę, gdy po raz pierwszy uczysz się o ciśnieniu, ponieważ presja w takiej sytuacji zależy od głębokości.

Presja (P) na dowolnej głębokości (re) wyraża równanie:

Gdzieρ(„rho”) to gęstość cieczy isoljest przyspieszeniem grawitacyjnym (na Ziemi,sol= 9,81 m/s²). Gęstość wody w temperaturze 20 °C wynosiρ= 998 kg/m²³, ale generalnie obliczenia są znacznie uproszczone, jeśli przyjmie się temperaturę 4 °C, gdzieρ= 1000 kg/m²³ lub 1 g/cm³. Więc jeśli obliczasz ciśnienie wody na głębokości 25 m, równanie pokazuje:

Barometr to urządzenie do pomiaru ciśnienia atmosferycznego (czasami nazywanego ciśnieniem barometrycznym), które działa za pomocą kolumny rtęci. Rurka zawierająca rtęć – otwarta na jednym końcu – jest odwracana i umieszczana w zbiorniku, który również zawiera rtęć. Po ustawieniu zbiornik jest otwarty do atmosfery, ale rtęć w rurce styka się tylko ze zbiornikiem, a proces odwracania rurki tworzy próżnię w górnej części.

Barometr mierzy ciśnienie, ponieważ siła spowodowana ciśnieniem atmosferycznym (w zasadzie waga) powietrza) wypycha rtęć w zbiorniku i tym samym popycha rtęć w rurce w górę.

Jeśli kolumna rtęci wytwarza równie dużą siłę skierowaną w dół (równanie ciśnienia wody z poprzedniego rozdziału opisuje pochodzenie tego siły), nie będzie zmiany, ale jeśli ciśnienie powietrza będzie wyższe, poziom rtęci w rurze będzie musiał wzrosnąć o odpowiednią ilość, aby zrównoważyć siły. Po skalibrowaniu wagi ten prosty system można wykorzystać do pomiaru ciśnienia powietrza.

Istnieją inne przykłady presji, które znasz również z życia codziennego, w tym ciśnienie krwi. Jest to ciśnienie (wskaźnik) wytwarzane przez serce pompujące krew w całym ciele, mierzone w mmHg (milimetrach rtęci) i masz dwa odczyty: skurczowe dla ciśnienia, gdy serce wypycha i rozkurczowe dla ciśnienia pomiędzy bije. Oczywiście ciśnienie podczas uderzeń jest większą liczbą z tych dwóch, a pomiędzy 90/60 mmHg a 120/80 mmHg uważa się za idealne.

Ciśnienie powietrza jest również kluczową koncepcją w meteorologii, która odwzorowuje pozycje i ruchy systemów wysokiego i niskiego ciśnienia w celu przewidywania zmian pogody. Poprzez związek między ciśnieniem atmosferycznym a temperaturą oraz co się dzieje, gdy system niskiego ciśnienia spotyka się z systemem wysokiego ciśnienia, meteorolodzy przewidują temperatury i rzeczy takie jak wiatr w różnych regionach.