Sức ép

Áp suất là lực tác dụng vuông góc lên bề mặt của một vật trên một đơn vị diện tích. Biểu tượng cho nó là "p" hoặc P . ^[2] Các IUPAC đề nghị cho áp lực là một thấp hơn trường hợp p . ^[3] Tuy nhiên, chữ P viết hoa được sử dụng rộng rãi. Việc sử dụng P so với p phụ thuộc vào lĩnh vực mà nó đang làm việc, vào sự hiện diện gần đó của các ký hiệu khác cho các đại lượng như công suất và động lượng , và vào cách viết.

Công thức

Về mặt toán học:

${\ displaystyle p = {\ frac {F} {A}},}$^[4]

Ở đâu:

${\ displaystyle p}$ là áp lực,

${\ displaystyle F}$là độ lớn của lực pháp tuyến ,

${\ displaystyle A}$ là diện tích bề mặt tiếp xúc.

Áp suất là một đại lượng vô hướng . Nó liên hệ phần tử diện tích vectơ (một vectơ pháp tuyến đối với bề mặt) với lực pháp tuyến tác dụng lên nó. Áp suất là hằng số tỷ lệ vô hướng liên quan đến hai vectơ pháp tuyến:

${\ displaystyle d \ mathbf {F} _ {n} = - p \, d \ mathbf {A} = -p \, \ mathbf {n} \, dA.}$

Dấu trừ xuất phát từ thực tế là lực được coi là hướng tới phần tử bề mặt, trong khi vectơ pháp tuyến hướng ra ngoài. Phương trình có ý nghĩa ở chỗ, đối với bất kỳ bề mặt nào S tiếp xúc với chất lỏng, tổng lực do chất lưu tác dụng lên bề mặt đó là tích phân bề mặt đối với S của vế phải của phương trình trên.

Việc nói "áp suất được hướng theo hướng như vậy hoặc hướng như vậy" là không chính xác (mặc dù khá bình thường). Áp suất, như một chất vô hướng, không có hướng. Lực do liên hệ trước cho đại lượng có phương, còn áp suất thì không. Nếu chúng ta thay đổi hướng của phần tử bề mặt, hướng của lực pháp tuyến thay đổi tương ứng, nhưng áp suất vẫn giữ nguyên.

Áp suất được phân phối đến các ranh giới rắn hoặc qua các phần tùy ý của chất lỏng bình thường đến các ranh giới hoặc phần này tại mọi điểm. Nó là một tham số cơ bản trong nhiệt động lực học , và nó liên hợp với thể tích .

Các đơn vị

Cột thủy ngân

Các SI đơn vị áp suất là pascal (Pa), tương đương với một newton mỗi mét vuông (N / m ² , hoặc kg · m ^-1 · s ^-2 ). Tên này cho đơn vị đã được thêm vào năm 1971; ^[5] trước đó, áp suất trong SI được biểu thị đơn giản bằng niutơn trên mét vuông.

Các đơn vị áp suất khác, chẳng hạn như pound trên inch vuông (Ibf / in ² ) và bar , cũng được sử dụng phổ biến. Các CGS đơn vị áp là barye (Bà), tương đương với 1 dyn · cm ^-2 , tương đương 0.1 Pa. Áp lực đôi khi được thể hiện bằng gam-vũ lực hoặc kg lực mỗi centimet vuông (g / cm ² hoặc kg / cm ² ) và tương tự nếu không xác định đúng các đơn vị lực. Nhưng việc sử dụng các tên kilôgam, gam, kilôgam lực hoặc gam lực (hoặc các ký hiệu của chúng) làm đơn vị lực bị cấm rõ ràng trong SI. Môi trường kỹ thuật (ký hiệu: at) là 1 kgf / cm ² (98.0665 kPa, hoặc 14.223 psi).

Vì một hệ thống chịu áp suất có khả năng thực hiện công việc đối với môi trường xung quanh nó, nên áp suất là thước đo năng lượng tiềm năng được lưu trữ trên một đơn vị thể tích. Do đó, nó liên quan đến mật độ năng lượng và có thể được biểu thị bằng các đơn vị như jun trên mét khối (J / m ³ , bằng Pa). Về mặt toán học:

${\ displaystyle p = {\ frac {F \ cdot {\ text {distance}}} {A \ cdot {\ text {distance}}}} = {\ frac {\ text {Work}} {\ text {Volume} }} = {\ frac {\ text {Năng lượng (J)}} {{\ text {Khối lượng}} ({\ text {m}} ^ {3})}}.}$

Một số nhà khí tượng học thích hPa (hPa) cho áp suất không khí, tương đương với đơn vị cũ là milibar (mbar). Các áp suất tương tự được tính bằng kilopascal (kPa) trong hầu hết các lĩnh vực khác, trong đó tiền tố hecto hiếm khi được sử dụng. Inch thủy ngân vẫn được sử dụng ở Hoa Kỳ. Các nhà hải dương học thường đo áp suất dưới nước bằng decibar (dbar) vì áp suất trong đại dương tăng xấp xỉ một decibar trên mỗi mét độ sâu.

Khí quyển tiêu chuẩn (atm) là một hằng số được thiết lập. Nó xấp xỉ bằng áp suất không khí điển hình ở mực nước biển trung bình của Trái đất và được định nghĩa là101 325  Pa .

Vì áp suất thường được đo bằng khả năng dịch chuyển một cột chất lỏng trong áp kế , nên áp suất thường được biểu thị bằng độ sâu của một chất lỏng cụ thể (ví dụ: cm nước , milimét thủy ngân hoặc inch thủy ngân ). Các lựa chọn phổ biến nhất là thủy ngân (Hg) và nước; nước không độc hại và luôn sẵn có, trong khi tỷ trọng cao của thủy ngân cho phép một cột ngắn hơn (và do đó áp kế nhỏ hơn) được sử dụng để đo một áp suất nhất định. Áp suất tác dụng bởi một cột chất lỏng có chiều cao h và khối lượng riêng ρ được cho bởi phương trình áp suất thủy tĩnh p = ρgh , trong đó g là gia tốc trọng trường . Mật độ chất lỏng và trọng lượng cục bộ có thể thay đổi từ giá trị này sang giá trị khác tùy thuộc vào các yếu tố địa phương, vì vậy chiều cao của cột chất lỏng không xác định chính xác áp suất. Khi milimét thủy ngân hoặc inch thủy ngân được trích dẫn ngày nay, các đơn vị này không dựa trên cột thủy ngân vật lý; thay vào đó, chúng đã được đưa ra các định nghĩa chính xác có thể được biểu thị bằng các đơn vị SI. ^{[ cần dẫn nguồn ]} Một milimét thủy ngân xấp xỉ bằng một torr . Các đơn vị dựa trên nước vẫn phụ thuộc vào tỷ trọng của nước, một đại lượng được đo, chứ không phải được xác định. Các đơn vị áp suất này vẫn còn gặp trong nhiều lĩnh vực. Huyết áp được đo bằng milimét thủy ngân ở hầu hết thế giới, và áp suất phổi tính bằng centimet nước vẫn còn phổ biến.

Thợ lặn dưới nước sử dụng đơn vị đo áp suất nước biển (msw hoặc MSW) và nước biển chân (fsw hoặc FSW), và đây là các đơn vị tiêu chuẩn cho đồng hồ đo áp suất được sử dụng để đo mức độ tiếp xúc với áp suất trong buồng lặn và máy tính giải nén cá nhân . Một msw được định nghĩa là 0,1 bar (= 100000 Pa = 10000 Pa), không giống như một mét chiều sâu tuyến tính. 33.066 fsw = 1 atm ^[6] (1 atm = 101325 Pa / 33.066 = 3064.326 Pa). Lưu ý rằng việc chuyển đổi áp suất từ ​​msw sang fsw khác với việc chuyển đổi độ dài: 10 msw = 32,6336 fsw, trong khi 10 m = 32,8083 ft. ^[6]

Đồng hồ đo áp suất thường được cung cấp bằng các đơn vị có thêm "g", ví dụ: "kPag", "hời" hoặc "psig", và các đơn vị đo áp suất tuyệt đối đôi khi được cung cấp thêm hậu tố "a", để tránh nhầm lẫn, ví dụ " kPaa "," psia ". Tuy nhiên, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ khuyến cáo rằng, để tránh nhầm lẫn, thay vào đó, bất kỳ công cụ sửa đổi nào được áp dụng cho đại lượng được đo hơn là đơn vị đo. ^[7] Ví dụ: " p _g = 100 psi" thay vì " p = 100 psig" .

Áp suất chênh lệch được biểu thị bằng đơn vị có thêm "d"; loại phép đo này hữu ích khi xem xét hiệu suất làm kín hoặc liệu một van sẽ mở hoặc đóng.

Các đơn vị áp suất phổ biến hiện nay hoặc trước đây bao gồm:

• bầu khí quyển (atm)
• đơn vị đo áp suất:
  • centimet, inch, milimet (torr) và micrometre (mTorr, micron) của thủy ngân,
  • chiều cao của cột nước tương đương, kể cả milimét (mm H
    ₂O ), cm (cm H
    ₂O ), mét, inch, và foot của nước;
• đơn vị đế quốc và phong tục:
  • kíp , ngắn tấn lực , dài tấn lực , lb-lực , ounce lực , và poundal mỗi inch vuông,
  • lực tấn ngắn và lực tấn dài trên mỗi inch vuông,
  • fsw (feet nước biển) được sử dụng trong lặn dưới nước, đặc biệt là liên quan đến tiếp xúc với áp lực lặn và giải nén ;
• đơn vị đo lường không phải SI:
  • thanh , decibar, milibar ,
    • msw (mét nước biển), được sử dụng trong lặn dưới nước, đặc biệt liên quan đến tiếp xúc và giải nén áp suất lặn ,
  • kilôgam lực, hoặc kilopond, trên centimet vuông ( khí quyển kỹ thuật ),
  • gram-lực và tấn-lực (mét tấn-lực) trên một cm vuông,
  • barye ( dyne trên mỗi cm vuông),
  • kg-lực và tấn-lực trên mét vuông,
  • sthene trên mét vuông ( pieze ).

Các ví dụ

Tác dụng của áp suất bên ngoài 700 bar lên một hình trụ nhôm có thành dày 5 mm (0,197 in)

Ví dụ về các áp lực khác nhau, một ngón tay có thể được ấn vào tường mà không tạo ra bất kỳ ấn tượng lâu dài nào; tuy nhiên, cùng một ngón tay đẩy đinh bấm có thể dễ dàng làm hỏng tường. Mặc dù lực tác dụng lên bề mặt là như nhau, nhưng đinh bấm áp dụng nhiều áp lực hơn vì điểm tập trung lực đó vào một khu vực nhỏ hơn. Áp suất được truyền đến các ranh giới rắn hoặc qua các phần tùy ý của chất lỏng bình thường đến các ranh giới hoặc phần này tại mọi điểm. Không giống như ứng suất , áp suất được định nghĩa là một đại lượng vô hướng . Gradient âm của áp suất được gọi là mật độ lực .

Một ví dụ khác là một con dao. Nếu chúng ta cố gắng cắt với cạnh phẳng, lực được phân phối trên một diện tích bề mặt lớn hơn dẫn đến áp lực ít hơn và nó sẽ không cắt. Trong khi sử dụng cạnh sắc, có ít diện tích bề mặt hơn, dẫn đến áp lực lớn hơn và do đó dao cắt trơn tru. Đây là một ví dụ về ứng dụng thực tế của áp suất.

Đối với chất khí, áp suất đôi khi được đo không phải là áp suất tuyệt đối , mà là áp suất liên quan đến khí quyển ; các phép đo như vậy được gọi là áp kế . Một ví dụ về điều này là áp suất không khí trong lốp ô tô , có thể được cho là "220  kPa (32 psi)", nhưng thực tế cao hơn áp suất khí quyển 220 kPa (32 psi). Vì áp suất khí quyển ở mực nước biển là khoảng 100 kPa (14,7 psi), do đó áp suất tuyệt đối trong lốp là khoảng 320 kPa (46 psi). Trong công việc kỹ thuật, điều này được viết "áp suất đo là 220 kPa (32 psi)". Khi không gian bị hạn chế, chẳng hạn như trên đồng hồ đo áp suất , bảng tên , nhãn đồ thị và tiêu đề bảng, được phép sử dụng công cụ sửa đổi trong dấu ngoặc đơn, chẳng hạn như "kPa (đồng hồ đo)" hoặc "kPa (tuyệt đối)", được phép. Trong công việc kỹ thuật phi SI , áp suất đo 32 psi (220 kPa) đôi khi được viết là "32 psig" và áp suất tuyệt đối là "32 psia", mặc dù các phương pháp khác đã giải thích ở trên tránh gắn các ký tự vào đơn vị của áp suất được ưu tiên. ^[7]

Áp suất đồng hồ là thước đo áp suất có liên quan ở bất cứ nơi nào người ta quan tâm đến ứng suất trên các bình chứa và các thành phần đường ống dẫn nước của hệ thống chất lỏng. Tuy nhiên, bất cứ khi nào các thuộc tính của phương trình trạng thái, chẳng hạn như mật độ hoặc thay đổi mật độ, phải được tính toán, áp suất phải được biểu thị bằng giá trị tuyệt đối của chúng. Ví dụ, nếu áp suất khí quyển là 100 kPa (15 psi), một loại khí (chẳng hạn như heli) ở 200 kPa (29 psi) (đồng hồ đo) (300 kPa hoặc 44 psi [tuyệt đối]) đặc hơn 50% so với cùng một loại khí. ở 100 kPa (15 psi) (gauge) (200 kPa hoặc 29 psi [tuyệt đối]). Tập trung vào các giá trị của máy đo, người ta có thể kết luận sai rằng mẫu đầu tiên có mật độ gấp đôi mẫu thứ hai.

Bản chất vô hướng

Trong chất khí tĩnh , chất khí nói chung dường như không chuyển động. Tuy nhiên, các phân tử riêng lẻ của khí chuyển động ngẫu nhiên liên tục . Bởi vì chúng ta đang xử lý một số lượng cực lớn các phân tử và vì chuyển động của các phân tử riêng lẻ là ngẫu nhiên theo mọi hướng, chúng ta không phát hiện ra bất kỳ chuyển động nào. Nếu chúng ta bao bọc khí bên trong một bình chứa, chúng ta sẽ phát hiện ra một áp suất trong khí từ các phân tử va chạm vào thành bình chứa của chúng ta. Chúng ta có thể đặt các bức tường của bình chứa của chúng ta ở bất kỳ đâu bên trong chất khí, và lực trên một đơn vị diện tích (áp suất) là như nhau. Chúng ta có thể thu nhỏ kích thước của "thùng chứa" của chúng ta xuống một điểm rất nhỏ (trở nên ít đúng hơn khi chúng ta tiến gần đến quy mô nguyên tử), và áp suất sẽ vẫn có một giá trị duy nhất tại điểm đó. Do đó, áp suất là một đại lượng vô hướng, không phải là một đại lượng véc tơ. Nó có độ lớn nhưng không có cảm giác hướng liên quan đến nó. Lực áp suất tác dụng theo mọi phương tại một điểm bên trong chất khí. Tại bề mặt của một chất khí, lực ép tác dụng vuông góc (vuông góc) với bề mặt.

Một đại lượng có liên quan chặt chẽ là tensor ứng suất σ , liên quan đến lực vectơ${\ displaystyle \ mathbf {F}}$đến khu vực vectơ ${\ displaystyle \ mathbf {A}}$ thông qua quan hệ tuyến tính ${\ displaystyle \ mathbf {F} = \ sigma \ mathbf {A}}$.

Tensor này có thể được biểu thị bằng tổng của tensor ứng suất nhớt trừ đi áp suất thủy tĩnh. Âm của tensor ứng suất đôi khi được gọi là tensor áp suất, nhưng trong phần sau, thuật ngữ "áp suất" sẽ chỉ để chỉ áp suất vô hướng.

Theo thuyết tương đối rộng , áp suất làm tăng cường độ của trường hấp dẫn (xem ứng suất-căng năng lượng ) và do đó làm tăng thêm nguyên nhân khối lượng-năng lượng của lực hấp dẫn . Hiệu ứng này là không thể nhận thấy ở áp suất hàng ngày nhưng có ý nghĩa quan trọng đối với các sao neutron , mặc dù nó chưa được kiểm tra bằng thực nghiệm. ^{[số 8]}

Áp suất chất lỏng

Áp suất chất lỏng thường là ứng suất nén tại một số điểm trong chất lỏng . (Thuật ngữ chất lỏng dùng để chỉ cả chất lỏng và chất khí - để biết thêm thông tin cụ thể về áp suất chất lỏng, hãy xem phần bên dưới .)

Nước thoát ra với tốc độ cao từ một vòi nước bị hỏng có chứa nước ở áp suất cao

Áp suất chất lỏng xảy ra trong một trong hai trường hợp:

1. Một điều kiện mở, được gọi là "dòng chảy kênh mở", ví dụ như đại dương, hồ bơi hoặc bầu khí quyển.
2. Một điều kiện đóng, được gọi là "ống dẫn kín", ví dụ như đường nước hoặc đường khí.

Áp suất trong điều kiện mở thường có thể được coi là áp suất trong điều kiện "tĩnh" hoặc không chuyển động (ngay cả trong đại dương nơi có sóng và dòng chảy), bởi vì các chuyển động chỉ tạo ra những thay đổi không đáng kể trong áp suất. Các điều kiện như vậy tuân theo các nguyên tắc của tĩnh chất lỏng . Áp suất tại một điểm bất kỳ của chất lưu không chuyển động (tĩnh) được gọi là áp suất thủy tĩnh .

Các thể đóng của chất lỏng là "tĩnh", khi chất lỏng không chuyển động hoặc "động", khi chất lỏng có thể chuyển động như trong một đường ống hoặc bằng cách nén một khe hở không khí trong một bình chứa kín. Áp suất trong điều kiện đóng tuân theo các nguyên tắc của động lực học chất lỏng .

Các khái niệm về áp suất chất lỏng chủ yếu là do khám phá của Blaise Pascal và Daniel Bernoulli . Phương trình Bernoulli có thể được sử dụng trong hầu hết mọi tình huống để xác định áp suất tại bất kỳ điểm nào trong chất lỏng. Phương trình đưa ra một số giả định về chất lỏng, chẳng hạn như chất lỏng là lý tưởng ^[9] và không thể nén được. ^[9] Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng trong đó không có ma sát, nó không bị biến dạng ^[9] ( độ nhớt bằng không ). ^[9] Phương trình cho tất cả các điểm của hệ chứa đầy chất lỏng tỷ trọng không đổi là ^[10]

${\ displaystyle {\ frac {p} {\ gamma}} + {\ frac {v ^ {2}} {2g}} + z = \ mathrm {const},}$

Ở đâu:

p = áp suất của chất lỏng,

${\ displaystyle {\ gamma}}$= ρg = mật độ · gia tốc trọng trường = trọng lượng riêng của chất lỏng, ^[9]

v = vận tốc của chất lỏng,

g = gia tốc trọng trường ,

z = độ cao,

${\ displaystyle {\ frac {p} {\ gamma}}}$ = đầu áp suất,

${\ displaystyle {\ frac {v ^ {2}} {2g}}}$ = vận tốc đầu.

Các ứng dụng

• Phanh thủy lực
• Giếng phun
• Huyết áp
• Đầu thủy lực
• Sự rối loạn của tế bào thực vật
• Cốc Pythagore

Áp suất nổ hoặc khử cháy

Áp suất nổ hoặc cháy nổ là kết quả của sự bốc cháy của khí nổ , sương mù, bụi / huyền phù không khí, trong không gian kín và hạn chế.

Áp lực tiêu cực

Buồng áp suất thấp ở Bundesleistungszentrum Kienbaum , Đức

Mặc dù áp lực nói chung là tích cực, nhưng có một số tình huống mà áp lực tiêu cực có thể gặp phải:

• Khi xử lý áp suất (đồng hồ đo) tương đối. Ví dụ, áp suất tuyệt đối 80 kPa có thể được mô tả là áp suất đo −21 kPa (tức là 21 kPa thấp hơn áp suất khí quyển 101 kPa).
• Áp suất tuyệt đối âm là lực căng hiệu quả , và cả chất rắn khối lượng lớn và chất lỏng khối lượng lớn đều có thể chịu áp suất tuyệt đối âm bằng cách kéo chúng lên. ^{[11] Về mặt} vi mô, các phân tử trong chất rắn và chất lỏng có tương tác hấp dẫn chế ngự động năng nhiệt, do đó lực căng nào đó có thể được duy trì. Tuy nhiên, về mặt nhiệt động lực học, một vật liệu khối dưới áp suất âm ở trạng thái bền và đặc biệt dễ vỡ trong trường hợp chất lỏng mà trạng thái áp suất âm tương tự như quá nhiệt và dễ bị xâm thực . ^[12] Trong một số tình huống nhất định, có thể tránh được sự xâm thực và áp suất âm duy trì vô thời hạn, ^[12] ví dụ, thủy ngân lỏng đã được quan sát để duy trì tới−425 atm đựng trong bình thủy tinh sạch. ^[13] Áp suất chất lỏng âm được cho là có liên quan đến quá trình đi lên của nhựa cây ở những cây cao hơn 10 m ( áp suất khí quyển của nước). ^[14]
• Các hiệu ứng Casimir có thể tạo ra một lực lượng nhỏ hấp dẫn do tương tác với năng lượng chân không ; Lực này đôi khi được gọi là "áp suất chân không" (không nên nhầm lẫn với áp suất đo âm của chân không).
• Đối với ứng suất không đẳng hướng trong vật cứng, tùy thuộc vào cách chọn hướng của một bề mặt, sự phân bố lực giống nhau có thể có một thành phần là áp suất dương dọc theo một bề mặt pháp tuyến , với một thành phần áp suất âm tác động lên bề mặt khác.
  • Các ứng suất trong trường điện từ nói chung là không đẳng hướng, với áp suất pháp tuyến đối với một phần tử bề mặt ( ứng suất pháp tuyến ) là âm và dương đối với các phần tử bề mặt vuông góc với phần tử này.
• Trong hằng số vũ trụ .

Áp suất ngưng trệ

Áp suất ngưng trệ là áp suất mà chất lỏng tạo ra khi nó buộc phải dừng chuyển động. Do đó, mặc dù chất lỏng di chuyển với tốc độ cao hơn sẽ có áp suất tĩnh thấp hơn , nhưng nó có thể có áp suất ứ đọng cao hơn khi bị ép dừng. Áp suất tĩnh và áp suất ngưng trệ liên quan đến:

${\ displaystyle p_ {0} = {\ frac {1} {2}} \ rho v ^ {2} + p}$

Ở đâu

${\ displaystyle p_ {0}}$là áp lực đình trệ ,

${\ displaystyle \ rho}$ là mật độ,

${\ displaystyle v}$ là vận tốc dòng chảy,

${\ displaystyle p}$ là áp suất tĩnh.

Áp suất của chất lỏng chuyển động có thể được đo bằng ống Pitot , hoặc một trong các biến thể của nó như đầu dò Kiel hoặc đầu dò Cobra , được kết nối với áp kế . Tùy thuộc vào vị trí của các lỗ đầu vào trên đầu dò, nó có thể đo áp suất tĩnh hoặc áp suất ứ đọng.

Áp suất bề mặt và sức căng bề mặt

Có một tương tự hai chiều của áp suất - lực bên trên một đơn vị chiều dài tác dụng lên một đường vuông góc với lực.

Áp suất bề mặt được ký hiệu là π:

${\ displaystyle \ pi = {\ frac {F} {l}}}$

và chia sẻ nhiều đặc tính tương tự với áp suất ba chiều. Tính chất của hóa chất bề mặt có thể được khảo sát bằng cách đo đẳng nhiệt áp suất / diện tích, như tương tự hai chiều của định luật Boyle , πA = k , ở nhiệt độ không đổi.

Sức căng bề mặt là một ví dụ khác của áp suất bề mặt, nhưng có dấu hiệu đảo ngược, bởi vì "sức căng" ngược lại với "áp suất".

Áp suất của khí lý tưởng

Trong khí lý tưởng , các phân tử không có thể tích và không tương tác. Theo định luật khí lý tưởng , áp suất thay đổi tuyến tính với nhiệt độ và số lượng, và tỷ lệ nghịch với thể tích:

${\ displaystyle p = {\ frac {nRT} {V}},}$

Ở đâu:

p là áp suất tuyệt đối của khí,

n là lượng chất ,

T là nhiệt độ tuyệt đối,

V là âm lượng,

R là hằng số khí lý tưởng .

Khí thực thể hiện sự phụ thuộc phức tạp hơn vào các biến trạng thái. ^[15]

Áp suất hơi

Áp suất hóa hơi là áp suất của hơi ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học với các pha ngưng tụ của nó trong một hệ thống kín. Tất cả các chất lỏng và chất rắn đều có xu hướng bay hơi thành thể khí và tất cả các chất khí đều có xu hướng ngưng tụ trở lại dạng lỏng hoặc rắn của chúng.

Điểm sôi áp suất khí quyển của chất lỏng (còn được gọi là điểm sôi bình thường ) là nhiệt độ tại đó áp suất hơi bằng áp suất khí quyển xung quanh. Với sự gia tăng bất kỳ của nhiệt độ đó, áp suất hơi trở nên đủ để vượt qua áp suất khí quyển và nâng chất lỏng lên để tạo thành các bong bóng hơi bên trong phần lớn của chất. Sự hình thành bong bóng sâu hơn trong chất lỏng đòi hỏi áp suất cao hơn, và do đó nhiệt độ cao hơn, bởi vì áp suất chất lỏng tăng trên áp suất khí quyển khi độ sâu tăng lên.

Áp suất hơi mà một thành phần trong hỗn hợp đóng góp vào tổng áp suất trong hệ thống được gọi là áp suất hơi riêng phần .

Áp suất chất lỏng

Khi một người bơi dưới nước, áp lực nước sẽ tác động lên màng nhĩ của người đó. Người đó bơi càng sâu thì áp lực càng lớn. Áp lực cảm nhận được là do trọng lượng của nước ở trên người. Khi ai đó bơi sâu hơn, có nhiều nước ở trên người hơn và do đó áp lực lớn hơn. Áp suất chất lỏng tạo ra phụ thuộc vào độ sâu của nó.

Áp suất chất lỏng cũng phụ thuộc vào khối lượng riêng của chất lỏng. Nếu ai đó bị ngập trong chất lỏng đặc hơn nước, thì áp suất sẽ lớn hơn tương ứng. Do đó, chúng ta có thể nói rằng độ sâu, mật độ và áp suất chất lỏng là tỷ lệ thuận trực tiếp. Áp suất do chất lỏng trong cột chất lỏng có khối lượng riêng không đổi hoặc ở độ sâu bên trong một chất được biểu thị bằng công thức sau:

${\ displaystyle p = \ rho gh,}$

Ở đâu:

p là áp suất chất lỏng,

g là trọng lực tại bề mặt của vật liệu phủ,

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng,

h là chiều cao của cột chất lỏng hoặc độ sâu bên trong một chất.

Một cách khác để nói cùng một công thức như sau:

${\ displaystyle p = {\ text {khối lượng riêng}} \ times {\ text {depth}}.}$

Áp suất chất lỏng tác dụng lên thành và đáy của một bình chứa phụ thuộc vào khối lượng riêng và độ sâu của chất lỏng. Nếu bỏ qua áp suất khí quyển, áp suất chất lỏng so với đáy lớn gấp đôi ở độ sâu gấp đôi; ở độ sâu gấp ba lần áp suất chất lỏng gấp ba lần; v.v ... Hoặc, nếu chất lỏng đậm đặc gấp hai hoặc ba lần, thì áp suất chất lỏng tương ứng lớn gấp hai hoặc ba lần đối với bất kỳ độ sâu nhất định nào. Chất lỏng thực tế là không thể nén được - nghĩa là thể tích của chúng khó có thể bị thay đổi bởi áp suất (thể tích nước chỉ giảm 50 phần triệu so với thể tích ban đầu của nó cho mỗi lần tăng áp suất khí quyển). Do đó, ngoại trừ những thay đổi nhỏ do nhiệt độ tạo ra, mật độ của một chất lỏng cụ thể thực tế là như nhau ở tất cả các độ sâu.

Áp suất khí quyển đè lên bề mặt chất lỏng phải được tính đến khi cố gắng khám phá tổng áp suất tác dụng lên chất lỏng. Khi đó, tổng áp suất của chất lỏng là ρgh cộng với áp suất của khí quyển. Khi sự khác biệt này là quan trọng, thuật ngữ áp suất tổng được sử dụng. Mặt khác, các cuộc thảo luận về áp suất chất lỏng đề cập đến áp suất mà không liên quan đến áp suất khí quyển bình thường luôn tồn tại.

Áp suất không phụ thuộc vào lượng chất lỏng có mặt. Khối lượng không phải là yếu tố quan trọng - chiều sâu là. Áp lực nước trung bình tác động lên đập phụ thuộc vào độ sâu trung bình của nước chứ không phụ thuộc vào khối lượng nước bị giữ lại. Ví dụ, một hồ rộng nhưng nông với độ sâu 3 m (10 ft) chỉ tạo ra một nửa áp suất trung bình mà một ao nhỏ sâu 6 m (20 ft) thực hiện. ( Tổng lực tác dụng lên đập dài hơn sẽ lớn hơn, do tổng diện tích bề mặt lớn hơn để áp lực tác động lên. Nhưng đối với mặt cắt rộng 5 foot (1,5 m) nhất định của mỗi đập, 10 ft (3,0 m) nước sâu sẽ tác dụng một phần tư lực của vùng nước sâu 20 ft (6,1 m)). Một người sẽ cảm thấy áp lực như nhau cho dù đầu của anh ta / cô ta bị chìm sâu một mét dưới bề mặt nước trong một hồ bơi nhỏ hay đến cùng một độ sâu ở giữa một hồ nước lớn. Nếu bốn lọ chứa các lượng nước khác nhau nhưng đều được lấp đầy ở độ sâu bằng nhau, thì một con cá có đầu ngập sâu vài cm dưới bề mặt sẽ bị tác động bởi áp lực nước giống nhau trong bất kỳ lọ nào. Nếu cá bơi sâu hơn vài cm, áp lực lên cá sẽ tăng theo độ sâu và giống nhau cho dù cá ở trong bình nào. Nếu cá bơi đến đáy, áp lực sẽ lớn hơn, nhưng không có gì khác biệt. Nó được đựng trong cái bình nào. Tất cả các bình đều được lấp đầy đến độ sâu bằng nhau, do đó áp suất nước ở đáy mỗi bình là như nhau, bất kể hình dạng hoặc thể tích của nó. Nếu áp suất nước ở đáy bình lớn hơn áp suất nước ở đáy bình bên cạnh thì áp suất lớn hơn sẽ ép nước sang một bên rồi đi lên bình hẹp hơn đến mức cao hơn cho đến khi áp suất ở đáy bình bằng nhau. Áp suất phụ thuộc vào độ sâu, không phụ thuộc vào thể tích, vì vậy có lý do mà nước tự tìm kiếm mức độ của nó.

Khôi phục điều này dưới dạng phương trình năng lượng, năng lượng trên một đơn vị thể tích trong một chất lỏng lý tưởng, không thể nén được là không đổi trong toàn bộ bình của nó. Ở bề mặt, thế năng trọng trường lớn nhưng năng lượng áp suất chất lỏng thấp. Ở đáy bình, toàn bộ thế năng trọng trường được chuyển thành năng lượng áp suất. Tổng của năng lượng áp suất và thế năng hấp dẫn trên một đơn vị thể tích là không đổi trong suốt thể tích của chất lưu và hai thành phần năng lượng thay đổi tuyến tính theo độ sâu. ^[16] Về mặt toán học, nó được mô tả bằng phương trình Bernoulli , trong đó tốc độ đầu bằng 0 và các phép so sánh trên một đơn vị thể tích trong tàu là

${\ displaystyle {\ frac {p} {\ gamma}} + z = \ mathrm {const}.}$

Các thuật ngữ có ý nghĩa tương tự như trong phần Áp suất chất lỏng .

Hướng của áp suất chất lỏng

Một thực tế được xác định bằng thực nghiệm về áp suất chất lỏng là nó được tác dụng theo mọi hướng như nhau. ^[17] Nếu ai đó bị ngập trong nước, cho dù người đó có nghiêng đầu theo cách nào đi nữa thì người đó cũng sẽ cảm thấy áp lực nước lên tai của mình như nhau. Bởi vì chất lỏng có thể chảy, áp suất này không chỉ hướng xuống. Áp suất được coi là tác động sang một bên khi nước phun ra một bên từ chỗ rò rỉ ở mặt bên của một lon thẳng đứng. Áp lực cũng tác động lên trên, như được chứng minh khi ai đó cố gắng đẩy một quả bóng bãi biển xuống dưới mặt nước. Đáy thuyền bị áp lực nước đẩy lên trên ( lực nổi ).

Khi một chất lỏng ép vào một bề mặt, có một lực thuần có phương vuông góc với bề mặt. Mặc dù áp suất không có hướng cụ thể, nhưng lực thì có. Một khối tam giác chìm có nước ép vào mỗi điểm từ nhiều hướng, nhưng các thành phần của lực không vuông góc với bề mặt triệt tiêu lẫn nhau, chỉ để lại một điểm vuông góc thuần. ^[17] Đây là lý do tại sao nước phun ra từ một lỗ trong xô ban đầu thoát ra khỏi xô theo hướng vuông góc với bề mặt của xô mà trong đó có lỗ. Sau đó, nó cong xuống dưới do trọng lực. Nếu có ba lỗ trong một thùng (trên, dưới và giữa), thì các vectơ lực vuông góc với bề mặt thùng bên trong sẽ tăng lên khi độ sâu tăng lên - nghĩa là, một áp lực lớn hơn ở đáy làm cho lỗ dưới cùng sẽ bắn nước ra xa nhất. Lực do chất lưu tác dụng lên bề mặt nhẵn luôn có phương vuông góc với bề mặt. Tốc độ của chất lỏng ra khỏi lỗ là${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {2gh}}}$, trong đó h là độ sâu bên dưới bề mặt tự do. ^[17] Đây là tốc độ tương tự mà nước (hoặc bất cứ thứ gì khác) sẽ có nếu rơi tự do trong cùng một khoảng cách thẳng đứng h .

Áp suất động học

${\ displaystyle P = p / \ rho _ {0}}$

là áp suất động học, trong đó ${\ displaystyle p}$ là áp lực và ${\ displaystyle \ rho _ {0}}$khối lượng riêng không đổi. Đơn vị SI của P là m ² / s ² . Áp suất động học được sử dụng giống như độ nhớt động học ${\ displaystyle \ nu}$để tính toán phương trình Navier – Stokes mà không hiển thị rõ ràng mật độ${\ displaystyle \ rho _ {0}}$.

Phương trình Navier – Stokes với các đại lượng động học

${\ displaystyle {\ frac {\ một phần u} {\ một phần t}} + (u \ nabla) u = - \ nabla P + \ nu \ nabla ^ {2} u.}$

• Giới thiệu về Tin học và Động lực học Chất lỏng trên Project PHYSNET
• Áp suất là một đại lượng vô hướng
• wikiUnits.org - Chuyển đổi đơn vị áp suất