Tlak je jedným z najdôležitejších pojmov vo fyzike. I keď budete nepochybne mať určitú predstavu o tom, čo je tlak, napríklad z údajov o atmosférickom tlaku, ktoré sú tu uvedené správy o počasí alebo tlak vody vo vykurovacom systéme vášho domu, keď študujete fyziku, naozaj podrobnosti na čom záleží. Naučiť sa presnú definíciu tlaku vám pomôže pochopiť kľúčové pojmy týkajúce sa plynov, termodynamiky, vztlaku a oveľa viac.
Definícia tlaku
Tlak je jednoducho definovaný akomnožstvo sily na jednotku plochy. Kľúčovým bodom, keď sa snažíte porozumieť tlaku, je premýšľať o tom, čo sa deje na atómovej úrovni v kvapaline alebo plyne pri vysokom tlaku. Molekuly, z ktorých sa skladá, sa neustále pohybujú, čo znamená, že neustále narážajú do stien nádoby. Čím viac sa pohybujú (kvôli vyšším teplotám), tým viac narážajú do stien nádoby a tým je vyšší tlak.
Definícia potom jednoducho premení tento všeobecný obraz na jasnú fyzickú definíciu. Zakaždým, keď molekula narazí na bok nádoby, vloží jej silu a súčet týchto síl pre malú časť interiéru predstavuje celkový tlak. Najpohodlnejším spôsobom je zvoliť oblasť, ktorá je vo vybranom systéme merania na druhú „jednotkou“, čo v definícii znamená „na jednotku plochy“.
Matematicky môžete tlak definovať ako:
P = \ frac {F} {A}
KdePje tlak,Fje sila na povrch aAje oblasť.
Tlakové jednotky
Jednotkou tlaku SI jePascal (Pa), kde 1 Pa = 1 N / m2, teda jeden Newton na meter štvorcový. Newton je jednotka sily, takže je ľahké zistiť, že Pascal spĺňa požiadavky na jednotku tlaku. Pascal je však celkom malá jednotka pre veci, ako je atmosférický tlak, takže sa tiež používa pomerne veľké množstvo alternatív. Jedným z najjednoduchších spôsobov, ako to urobiť, je jednoducho použiť kPa (tj. Kilopascal alebo tisíce pascalov), existujú však aj ďalšie možnosti.
Najznámejšou alternatívnou jednotkou jelibier na štvorcový palec (psi), ktorý sa v USA používa napríklad na tlak vody. Pre atmosférický tlak sa často používa príslušne pomenovaná jednotka „atmosféry“ (atm), pretože 1 atm zodpovedá atmosférickému tlaku na úrovni mora. Torr je alternatívna jednotka používaná pre atmosférické tlaky, ktorá je definovaná ako 1/760 z atmosféra alebo 133,3 Pa. V meteorológii sa často používajú milibary, kde 1 bar = 100 000 Pa a 1 milibar = 100 Pa.
Nakoniec existujú ešte neobvyklejšie jednotky tlaku, vrátane milimetrov ortuti (mmHg), ktoré je definovaná na základe tlaku vyvíjaného 1 mm vysokým stĺpcom ortuti a často sa používa na krv tlak.
To bol pôvodne zámer torru, a preto by nemalo byť až také prekvapujúce, že sú to tí dvaja v podstate to isté: 1 mmHg = 133 322 Pa. Nakoniec sa v niektorých prípadoch tlak meria ako hodnota v dyne na štvorec centimeter. Tu je dyn jednotkou sily s 1 dynom = 0,00001 Newtonov, a teda 1 dyn na centimeter štvorcový sa rovná 0,1 Pa.
Atmosferický tlak
Atmosférický tlak na úrovni mora sa rovná 1 atmosfére alebo okolo 101 325 Pa. Toto je aobrovskýhodnota - je to viac ako gravitačná sila na 10 000 kg hmoty, ktorá na vás tlačí dolecelý čas. Tlak je v podstate len tento, ale podstatou je v skutočnosti vzduch: Tlak je doslova spôsobený hmotnosťou vzduchu, ktorý tlačí dole nad povrch Zeme.
Môže sa to zdať čudné, pretože nikdyupozornenieatmosférický tlak, aj keď je taký obrovský, ale vyvinuli ste sa v tomto prostredí, takže si ho nevšimnete. Existuje určitá miera tlaku, ktorá zohľadňuje aj túto skutočnosťpretlak. Toto je tlakový rozdiel medzi absolútnym tlakom (t. J. Celkovým tlakom) a atmosférickým tlakom.
Napríklad, ak máte na aute úplne defektnú pneumatiku, po pripojení meradla by sa zobrazila nula. Existuje všakvzduchvo vnútri pneumatiky, ktorá je pri atmosférickom tlaku; iba to, že tieto informácie nie sú skutočne relevantné, ak sa zaujímate o to, či je niečo ako pneumatika pre auto primerane natlakované. Stále existuje absolútny tlak, ale v tomto prípade (a v mnohých ďalších) je pretlak skutočne to, čo potrebujete vedieť.
Vodný tlak
Tlak vody je jednou z najznámejších foriem tlaku v každodennom živote, avšak v hydrostatickej situácii (ten, kde voda netečie), tlak funguje inak ako pri ohreve vody systém. Je to však zaujímavá situácia, na ktorú sa treba pozrieť, keď sa o tlaku dozvedáte prvýkrát, pretože tlak v takejto situácii závisí od hĺbky.
Tlak (P) v akejkoľvek hĺbke (d) je dané rovnicou:
P = ρgd
Kdeρ(„Rho“) je hustota kvapaliny agje gravitačné zrýchlenie (na Zemi,g= 9,81 m / s2). Hustota vody pri 20 ° C jeρ= 998 kg / m3, ale všeobecne sú výpočty výrazne zjednodušené, ak predpokladáte teplotu 4 ° C, kdeρ= 1000 kg / m3 alebo 1 g / cm3. Takže ak vypočítavate tlak vody v hĺbke 25 m, rovnica 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 {zarovnané}
Ako funguje barometer
Barometer je zariadenie na meranie atmosférického tlaku (niekedy sa nazýva aj barometrický tlak), ktoré funguje pomocou stĺpca ortuti. Rúrka obsahujúca ortuť - otvorená na jednom konci - je obrátená a umiestnená do zásobníka, ktorý obsahuje aj ortuť. Keď je nastavený, zásobník je otvorený pre atmosféru, ale ortuť v trubici je iba v kontakte so zásobníkom a proces obrátenia trubice vytvorí v hornej časti vákuum.
Barometer meria tlak, pretože sila je dôsledkom atmosférického tlaku (v podstate hmotnosť vzduchu) tlačí na ortuť v zásobníku a tým tlačí na ortuť v trubici hore.
Ak stĺpec ortuti vytvára rovnako veľkú silu smerujúcu nadol (rovnica tlaku vody z predchádzajúcej časti popisuje pôvod tohto sila), nedôjde k nijakej zmene, ale ak je tlak vzduchu vyšší, bude sa musieť hladina ortuti v trubici zvýšiť o zodpovedajúce množstvo, aby sa vyrovnal stav sily. Po kalibrácii váhy je možné tento jednoduchý systém použiť na meranie tlaku vzduchu.
Ostatné príklady
Existujú aj ďalšie príklady tlaku, ktoré vám budú známe aj z každodenného života, vrátane krvného tlaku. Toto je (merací) tlak vytváraný srdcom, ktoré pumpuje krv do vášho tela, a meria sa v mmHg (milimetroch ortuť) a máte dve hodnoty: systolický pre tlak, keď vaše srdce tlačí von, a diastolický pre tlak medzi bije. Samozrejme, tlak počas úderov je vyšší počet z týchto dvoch a medzi 90/60 mmHg a 120/80 mmHg sa považuje za ideálny.
Tlak vzduchu je tiež rozhodujúcim pojmom v meteorológii, ktorá mapuje polohy a pohyby vysokotlakových a nízkotlakových systémov na predpovedanie zmien počasia. Prostredníctvom vzťahu medzi atmosférickým tlakom a teplotou a tým, čo sa stane, keď je nízkotlakový systém spĺňa vysokotlakový systém, meteorológovia predpovedajú teploty a veci ako vietor v rôznych regiónoch.