Spiediens ir fizisks lielums, kam dabā un cilvēka dzīvē ir īpaša nozīme. Šī acij nemanāmā parādība ne tikai ietekmē apkārtējās vides stāvokli, bet arī ļoti labi jūtama ikvienam. Noskaidrosim, kas tas ir, kādi tā veidi pastāv un kā atrast spiedienu (formulu) dažādās vidēs.
Ko sauc par spiedienu fizikā un ķīmijā
Šis termins attiecas uz svarīgu termodinamisko lielumu, ko izsaka kā perpendikulāri iedarbinātā spiediena spēka attiecību pret virsmas laukumu, uz kuru tas iedarbojas. Šī parādība nav atkarīga no sistēmas lieluma, kurā tā darbojas, tāpēc tā attiecas uz intensīviem daudzumiem.
Līdzsvara stāvoklī saskaņā ar Paskāla likumu spiediens visos sistēmas punktos ir vienāds.
Fizikā un ķīmijā to apzīmē ar burtu "P", kas ir saīsinājums no termina latīņu nosaukuma - pressūra.
Ja mēs runājam par šķidruma osmotisko spiedienu (līdzsvaru starp spiedienubūra iekšpusē un ārpusē), tiek izmantots burts "P".
Spiediena mērvienības
Saskaņā ar Starptautiskās SI sistēmas standartiem aplūkotā fizikālā parādība tiek mērīta paskalos (kirilica - Pa, latīņu - Ra).
Pamatojoties uz spiediena formulu, izrādās, ka viens Pa ir vienāds ar vienu N (ņūtons - spēka vienība), dalīts ar vienu kvadrātmetru (laukuma vienību).
Tomēr praksē ir diezgan grūti lietot paskālus, jo šī vienība ir ļoti maza. Šajā sakarā papildus SI standartiem šo vērtību var izmērīt citādā veidā.
Zemāk ir tā slavenākie analogi. Lielākā daļa no tām tiek plaši izmantotas bijušajā PSRS.
- Bāri. Viena josla ir vienāda ar 105 Pa.
- Torrs jeb dzīvsudraba staba milimetri. Aptuveni viens Torrs atbilst 133,3223684 Pa.
- Ūdens staba milimetri.
- Ūdens staba metri.
- Tehniskā atmosfēra.
- Fiziskā atmosfēra. Viens atm ir vienāds ar 101 325 Pa un 1,033233 at.
- Kilograms-spēks uz kvadrātcentimetru. Ir arī tonspēks un gramspēks. Turklāt ir analogs mārciņas spēks uz kvadrātcollu.
Vispārīga formula spiediena noteikšanai (7. klases fizika)
No dotā fiziskā daudzuma definīcijas varat noteikt tā atrašanas metodi. Tas izskatās kā tālāk redzamajā fotoattēlā.
Tajā F ir spēks, un S ir laukums. Citiem vārdiem sakot, spiediena noteikšanas formula ir tā spēks, kas dalīts ar virsmas laukumu, uz kura tas atrodasietekmē.
To var uzrakstīt arī šādi: P=mg / S vai P=pVg / S. Tādējādi šis fiziskais lielums ir saistīts ar citiem termodinamiskajiem mainīgajiem: tilpumu un masu.
Attiecībā uz spiedienu tiek piemērots šāds princips: jo mazāku vietu ietekmē spēks, jo lielāks ir nospiešanas spēks. Ja tomēr laukums palielinās (ar tādu pašu spēku), vēlamā vērtība samazinās.
Hidrostatiskā spiediena formula
Atšķirīgi vielu agregāti, nodrošina to īpašību klātbūtni, kas atšķiras viena no otras. Pamatojoties uz to, arī metodes P noteikšanai tajās būs atšķirīgas.
Piemēram, ūdens spiediena (hidrostatiskā) formula izskatās šādi: P=pgh. Tas attiecas arī uz gāzēm. Tomēr to nevar izmantot atmosfēras spiediena aprēķināšanai augstuma un gaisa blīvuma atšķirības dēļ.
Šajā formulā p ir blīvums, g ir gravitācijas paātrinājums un h ir augstums. Pamatojoties uz to, jo dziļāk objekts vai objekts nogrimst, jo lielāks spiediens uz to tiek iedarbināts šķidruma (gāzes) iekšpusē.
Aplūkotais variants ir klasiskā piemēra P=F / S adaptācija.
Ja atceramies, ka spēks ir vienāds ar masas atvasinājumu no brīvā kritiena ātruma (F=mg), un šķidruma masa ir tilpuma atvasinājums pēc blīvuma (m=pV), tad spiediena formulu var uzrakstīt kā P=pVg / S. Šajā gadījumā tilpums ir laukums, kas reizināts ar augstumu (V=Sh).
Ja ievietojat šos datus, izrādās, ka laukums skaitītājā unsaucēju var samazināt un izvadīt - iepriekš norādītā formula: P=pgh.
Ņemot vērā spiedienu šķidrumos, der atcerēties, ka atšķirībā no cietām vielām tajos virsmas slānis bieži var tikt deformēts. Un tas, savukārt, veicina papildu spiediena veidošanos.
Šādām situācijām tiek izmantota nedaudz atšķirīga spiediena formula: P=P0 + 2QH. Šajā gadījumā P0 ir neizliektā slāņa spiediens, un Q ir šķidruma spriegojuma virsma. H ir virsmas vidējais izliekums, ko nosaka Laplasa likums: H=½ (1/R1+ 1/R2). Komponenti R1 un R2 ir galvenā izliekuma rādiusi.
Parciālais spiediens un tā formula
Lai gan P=pgh metode ir piemērojama gan šķidrumiem, gan gāzēm, labāk ir aprēķināt pēdējo spiedienu nedaudz savādāk.
Fakts ir tāds, ka dabā, kā likums, absolūti tīras vielas nav īpaši izplatītas, jo tajā dominē maisījumi. Un tas attiecas ne tikai uz šķidrumiem, bet arī uz gāzēm. Un, kā jūs zināt, katrs no šiem komponentiem rada atšķirīgu spiedienu, ko sauc par daļēju spiedienu.
To ir diezgan viegli pamanīt. Tas ir vienāds ar katras attiecīgā maisījuma komponenta spiediena summu (ideālā gāze).
No tā izriet, ka daļējā spiediena formula izskatās šādi: P=P1+ P2+ P3… un tā tālāk, atkarībā no komponentu skaita.
Bieži ir reizes, kad ir nepieciešams noteikt gaisa spiedienu. Tomēr daži kļūdaini veic aprēķinus tikai ar skābekli saskaņā ar shēmu P=pgh. Bet gaiss ir dažādu gāzu maisījums. Tas satur slāpekli, argonu, skābekli un citas vielas. Pamatojoties uz pašreizējo situāciju, gaisa spiediena formula ir visu tās sastāvdaļu spiedienu summa. Tātad, jums vajadzētu ņemt iepriekš minēto P=P1+ P2+ P3…
Visizplatītākie spiediena mērītāji
Neskatoties uz to, ka nav grūti aprēķināt aplūkojamo termodinamisko lielumu, izmantojot iepriekš minētās formulas, dažreiz vienkārši nav laika veikt aprēķinu. Galu galā vienmēr ir jāņem vērā daudzas nianses. Tāpēc ērtības labad gadsimtu gaitā ir izstrādātas vairākas ierīces, kas to dara cilvēku vietā.
Patiesībā gandrīz visas šāda veida ierīces ir manometra veidi (palīdz noteikt spiedienu gāzēs un šķidrumos). Tomēr tie atšķiras pēc dizaina, precizitātes un apjoma.
- Atmosfēras spiedienu mēra, izmantojot manometru, ko sauc par barometru. Ja nepieciešams noteikt vakuumu (tas ir, spiediens ir zem atmosfēras spiediena), tiek izmantota cita tā versija - vakuuma mērītājs.
- Lai noskaidrotu cilvēka asinsspiedienu, tiek izmantots sfigmomanometrs. Lielākajai daļai tas ir labāk pazīstams kā neinvazīvs tonometrs. Ir daudz šādu ierīču šķirņu: no dzīvsudraba mehāniskās līdz pilnībā automātiskai digitālajai. To precizitāte ir atkarīga no materiāliem, no kuriem tie ir izgatavoti, un no tā, kur tie tiek mērīti.
- Spiediena kritumi vidē (saskaņā arangļu valodā - spiediena kritums) nosaka, izmantojot diferenciālo spiediena mērītājus vai difnamometrus (nejaukt ar dinamometriem).
Spiediena veidi
Ņemot vērā spiedienu, tā atrašanas formulu un tās variācijas dažādām vielām, ir vērts uzzināt par šī daudzuma šķirnēm. Ir pieci no tiem.
- Absolūts.
- Barometriskais
- Pārpalikums.
- Vakuometriskā.
- Diferenciālis.
Absolūts
Šis ir kopējā spiediena nosaukums, zem kura atrodas viela vai objekts, neņemot vērā citu atmosfēras gāzveida komponentu ietekmi.
To mēra paskalos, un tā ir pārpalikuma un atmosfēras spiediena summa. Tā ir arī atšķirība starp barometriskajiem un vakuuma veidiem.
To aprēķina pēc formulas P=P2 + P3 vai P=P2 - R4.
Absolūtā spiediena atskaites punktam planētas Zeme apstākļos tiek ņemts spiediens tvertnes iekšpusē, no kuras tiek noņemts gaiss (tas ir, klasiskais vakuums).
Vairumā termodinamisko formulu izmanto tikai šāda veida spiedienu.
Barometriskais
Šis termins attiecas uz atmosfēras spiedienu (gravitācijas spēku) uz visiem objektiem un objektiem, kas tajā atrodas, tostarp uz pašas Zemes virsmas. Lielākā daļa to pazīst arī kā atmosfērisku.
Tas ir klasificēts kā termodinamiskais parametrs, un tā vērtība mainās atkarībā no mērījuma vietas un laika, kā arī laikapstākļiem un atrašanās virs/zem jūras līmeņa.
Barometriskā spiediena vērtībavienāds ar atmosfēras spēka moduli vienotības apgabalā gar normālu pret to.
Stabilā atmosfērā šīs fiziskās parādības lielums ir vienāds ar gaisa kolonnas svaru uz pamatnes, kuras laukums ir vienāds ar vienu.
Normālais barometriskais spiediens - 101 325 Pa (760 mm Hg pie 0 grādiem pēc Celsija). Turklāt, jo augstāks objekts atrodas no Zemes virsmas, jo zemāks gaisa spiediens uz to kļūst. Ik pēc 8 km tas samazinās par 100 Pa.
Pateicoties šim īpašumam kalnos, ūdens tējkannās uzvārās daudz ātrāk nekā mājās uz plīts. Fakts ir tāds, ka spiediens ietekmē viršanas temperatūru: ar tā samazināšanos pēdējais samazinās. Un otrādi. Šajā īpašumā ir izbūvētas tādas virtuves tehnikas kā spiediena katls un autoklāvs. Spiediena paaugstināšanās to iekšienē veicina augstākas temperatūras veidošanos traukos nekā parastās plīts pannās.
Atmosfēras spiediena aprēķināšanai tiek izmantota barometriskā augstuma formula. Tas izskatās kā tālāk redzamajā fotoattēlā.
P ir vēlamā vērtība augstumā, P0 ir gaisa blīvums virsmas tuvumā, g ir brīvā kritiena paātrinājums, h ir augstums virs Zemes, m ir gāzes molārā masa, t ir sistēmas temperatūra, r ir universālā gāzes konstante 8,3144598 J⁄(mol x K) un e ir Eiklera skaitlis, kas vienāds ar 2,71828.
Bieži iepriekš minētajā atmosfēras spiediena formulā R vietā tiek izmantots Kir Bolcmaņa konstante. Universālo gāzes konstanti bieži vien izsaka produkta izteiksmē ar Avogadro skaitli. Aprēķiniem ērtāk ir, ja daļiņu skaits ir norādīts molos.
Veicot aprēķinus, vienmēr jāņem vērā gaisa temperatūras izmaiņu iespējamība, mainoties meteoroloģiskajai situācijai vai paceļoties virs jūras līmeņa, kā arī ģeogrāfiskā platuma.
Mērometrs un vakuuma mērītājs
Atšķirību starp atmosfēras spiedienu un izmērīto apkārtējās vides spiedienu sauc par pārspiedienu. Atkarībā no rezultāta vērtības nosaukums mainās.
Ja tas ir pozitīvs, to sauc par manometrisko spiedienu.
Ja iegūtais rezultāts ir ar mīnusa zīmi, to sauc par vakuumu. Ir vērts atcerēties, ka tas nevar būt vairāk par barometrisku.
Diferenciālis
Šī vērtība ir spiediena starpība dažādos mērījumu punktos. Parasti to izmanto, lai noteiktu jebkura aprīkojuma spiediena kritumu. Īpaši tas attiecas uz naftas rūpniecību.
Noskaidrojot, kādu termodinamisko lielumu sauc par spiedienu un ar kādām formulām tas tiek atrasts, varam secināt, ka šī parādība ir ļoti svarīga, un tāpēc zināšanas par to nekad nebūs liekas.
