Material a pressió de fluids
En física, la pressió es defineix com la força per unitat de superfície, on la direcció de la força és perpendicular a la superfície. Matemàticament, la pressió s'expressa mitjançant l'equació P = F/A, on P = pressió, F = força i A = superfície. La unitat de força (F) és el Newton (N), la unitat de superfície són els metres quadrats (m²).2). Com que la pressió és la força per unitat de superfície, la unitat de pressió és N/m2Un altre nom per a N/m2 és el pascal (Pa). El Pascal s'utilitza com a unitat de pressió en honor de Blaise Pascal.
Quan un fluid està en repòs, exerceix una força perpendicular a tota la superfície amb la qual està en contacte. Per exemple, considerem l'aigua en un got; cada porció d'aigua exerceix una força perpendicular a la paret del vidre. Per tant, cada porció d'aigua exerceix una força perpendicular a cada unitat de superfície del recipient que ocupa. Aquesta és una propietat important d'un fluid estàtic, un fluid en repòs. Quan un fluid exerceix una força sobre una superfície, on la força no és perpendicular, la superfície exercirà una força de reacció, també no perpendicular. Això farà que el fluid flueixi. Tanmateix, en realitat, el fluid roman en repòs. Per tant, en un fluid en repòs, la força sempre és perpendicular a la superfície del recipient que ocupa.
Una altra propietat important d'un fluid en repòs és que sempre exerceix pressió en totes direccions. Per entendre-ho millor, col·loqueu un objecte flotant en un recipient amb aigua. Si l'aigua està completament quieta, l'objecte romandrà estacionari perquè la pressió exercida sobre tota la seva superfície és igual. Si la pressió de l'aigua és desigual, hi haurà una força neta, que farà que l'objecte es mogui.
Efecte de la profunditat sobre la pressió
Com afecten la profunditat o l'alçada la pressió del fluid? La pressió de l'aigua de mar a una profunditat de 10 metres és la mateixa que la pressió de l'aigua de mar a una profunditat de 100 metres? Considerem la pressió de l'aigua en un recipient com es mostra a la figura. L'alçada de la columna de líquid és h i la seva àrea de secció transversal és A. Quina és la pressió de l'aigua al fons del recipient?
w = pes de l'aigua, h = alçada de la columna d'aigua en un recipient cilíndric, A = superfície i P és la pressió.
Informació:
w = gravetat
ρ = densitat
m = massa
g = acceleració deguda a la gravetat
V = hA = volum de la columna de líquid (h = alçada, A = superfície)
Si ho introduïm a l'equació de pressió, obtenim:
p = ρ gh → Equació 1 (recipient tancat)
p = pa + ρ gh → Equació 2 (recipient obert)
Informació:
pa = Pressió atmosfèrica
ρ gh = Pressió hidrostàtica
A la imatge superior, la pressió atmosfèrica no es representa, però en realitat, si el recipient que conté aigua està obert, la pressió atmosfèrica també actuarà sobre la superfície de l'aigua, que es dirigeix cap avall.
Segons l'equació anterior, sembla que la pressió és directament proporcional a la densitat i la profunditat del líquid (l'acceleració gravitatòria roman constant). A mesura que augmenta la profunditat del líquid, la pressió també augmenta. Els líquids són gairebé incompressibles a causa del pes del líquid que hi ha a sobre, de manera que la densitat del líquid roman constant. Si la diferència d'alçada és molt gran (per exemple, en aigua de mar molt profunda), la densitat varia lleugerament. Tanmateix, si la diferència d'alçada no és massa gran, la densitat del líquid és essencialment la mateixa o la diferència és tan petita que es pot ignorar.
També podem utilitzar l'equació anterior per calcular la diferència de pressió a diferents profunditats. L'equació anterior es pot reescriure com:
Pressió atmosfèrica
Quan ens submergim sota l'aigua, tot el nostre cos està envoltat d'aigua. Com més profund ens submergim, més gran és la pressió que sentim. De fet, cada dia també estem envoltats per l'atmosfera, que pressiona constantment totes les parts del nostre cos, igual que quan estem sota l'aigua. Igual que a l'aigua de mar, la superfície de la Terra es pot comparar amb el "fons marí" de l'atmosfera. Si és cert que l'atmosfera també pressiona totes les parts del nostre cos en tot moment, per què no ho sentim, com si fóssim al fons del mar? Les cèl·lules del nostre cos mantenen una pressió interna que és gairebé la mateixa que la pressió externa. És per això que no sentim els efectes d'aquesta diferència de pressió.
La pressió atmosfèrica de la Terra també canvia amb l'altitud. Tanmateix, la pressió atmosfèrica varia lleugerament de la dels líquids. El canvi en la densitat dels líquids és molt petit per a petites diferències de profunditat, per la qual cosa se suposa que la densitat dels líquids és la mateixa. Això és diferent de la densitat de l'atmosfera terrestre. La densitat de l'atmosfera terrestre varia significativament amb l'altitud. La densitat de l'aire a diferents altituds és diferent, per la qual cosa no podem calcular la pressió atmosfèrica utilitzant l'equació derivada anteriorment. A més, no hi ha un límit atmosfèric clar des del qual es pugui mesurar l'altitud. La pressió atmosfèrica també varia segons el clima. Per determinar la pressió atmosfèrica, prenem mesures.
Mesura de la pressió
Evangelista Torricelli (1608–1647), un estudiant de Galileu, va desenvolupar un mètode per mesurar la pressió atmosfèrica el 1643 utilitzant el seu baròmetre de mercuri. El baròmetre consistia en un tub de vidre llarg ple de mercuri. El tub de vidre ple de mercuri s'invertia en un plat també ple de mercuri.
Quan es gira un tub de vidre que conté mercuri, l'extrem del tub no s'omple de mercuri, només conté vapor de mercuri, la pressió del qual és tan petita que s'ignora (p2 = 0). A la superfície del mercuri de la placa, hi ha una pressió atmosfèrica dirigida cap avall (l'atmosfera pressiona el mercuri de la placa). Aquesta pressió atmosfèrica suporta la columna de mercuri del tub de vidre. A la imatge, la pressió atmosfèrica es simbolitza per po La magnitud de la pressió atmosfèrica es pot calcular mitjançant l'equació:
po = ρ gh
Segons els resultats de les mesures, la pressió atmosfèrica mitjana al nivell del mar és d'1,013 x 105 N / m2La magnitud de la pressió atmosfèrica al nivell del mar s'utilitza per definir una altra unitat de pressió, concretament l'atm (atmosfera). Per tant, 1 atm = 1,013 x 105 N / m2 = 101,3 kPa (kPa = quilopascal). Una altra unitat de pressió és el bar (sovint utilitzat en meteorologia). 1 bar = 1,00 x 105 N / m2 = 100 kPa.
Com s'obté el valor de la pressió atmosfèrica indicat anteriorment?
La mesura utilitza el principi demostrat per Torricelli anteriorment. L'alçada de la columna de mercuri utilitzada és de 76 cm (la pressió atmosfèrica només pot suportar una columna de mercuri de només 76,0 cm d'alçada), on la temperatura del mercuri utilitzat és exactament 0 oC i la magnitud de l'acceleració gravitatòria és de 9,8 m/s2La densitat del mercuri en aquesta condició és de 13,6 x 103 kg / m3Pressió atmosfèrica:
manòmetre
Hi ha moltes eines que s'utilitzen per mesurar la pressió, inclòs el manòmetre de tub obert.
En un manòmetre de tub obert, on el tub té forma d'U, està parcialment ple de líquid (mercuri o aigua). La pressió mesurada està relacionada amb la diferència entre les dues altures dels líquids inserits al tub. La pressió es calcula mitjançant l'equació:
En general, no es calcula el producte de ρ gh sinó l'alçada del líquid (h) perquè la pressió de vegades s'expressa en mil·límetres de mercuri (mm Hg) o mil·límetres d'aigua (mm H2O). Un altre nom per a mm Hg és torr (en memòria d'Evangelista Torricelli).
A més dels manòmetres, també hi ha altres instruments de mesura, concretament baròmetres aneroides, tant mecànics com elèctrics, com ara els manòmetres de pressió dels pneumàtics, etc. L'instrument utilitzat per Torricelli per mesurar la pressió atmosfèrica també s'anomena baròmetre de mercuri, on s'omple un tub de vidre amb mercuri i després s'inverteix en una placa que també conté mercuri.
Pressió nominal, pressió manomètrica i pressió absoluta
Quan s'omplen els pneumàtics d'un vehicle amb aire, normalment s'utilitza un manòmetre d'aire. Això garanteix que la pressió dels pneumàtics no sigui ni massa baixa ni massa alta. Quan s'omplen els pneumàtics amb aire, només es mesura la pressió de l'aire dins del pneumàtic. No es té en compte la pressió atmosfèrica. No només quan es mesura la pressió dels pneumàtics, sinó també en la majoria d'altres mesures de pressió, la pressió atmosfèrica no es mesura. Aquesta pressió mesurada s'anomena pressió mesurada. Aleshores, quina és la diferència entre això i la pressió absoluta?
Pressió absoluta = pressió atmosfèrica + pressió mesurada. Per tant, per obtenir la pressió absoluta, sumem la pressió mesurada a la pressió atmosfèrica. En altres paraules, pressió absoluta = pressió total. Matemàticament, això es pot escriure com:
p = pa + p mesura
Per exemple, si la pressió dels pneumàtics que mesurem = 100 kPa, la pressió absoluta és:
p = pa + p mesura
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
La pressió absoluta = 201 kPa.
Hi ha un altre terme: pressió manomètrica, també coneguda com a pressió manomètrica. La pressió manomètrica és l'excés de pressió per sobre de la pressió atmosfèrica. Per exemple, considerem la pressió dels pneumàtics d'una motocicleta. Quan un pneumàtic de motocicleta es desinfla, la pressió a l'interior del pneumàtic és igual a la pressió atmosfèrica (pressió atmosfèrica = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Quan el pneumàtic s'omple d'aire, la pressió del pneumàtic augmenta naturalment. Quan la pressió del pneumàtic supera els 101 kPa, l'excés de pressió també s'anomena pressió manomètrica.
Exemples de preguntes sobre pressió de fluids
Exemple de pregunta 1:
Un submarí s'immergeix a una profunditat de 200 metres. Quina és la pressió que experimenta el submarí?
la immersió? g = 10 m/s2
Discussió
Se sap que:
Profunditat (h) = 200 m
Densitat de l'aigua de mar (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (vegeu la taula de densitat)
Pressió atmosfèrica (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s2)/m2 = 1 x 105 kg/ms2
Acceleració deguda a la gravetat (g) = 10 m/s2
Preguntat: Pressió
Resposta:
El recipient està obert, de manera que la pressió atmosfèrica no s'inclou en els càlculs.
Exemple de pregunta 2:
Un dipòsit d'aigua de 10 metres d'alçada està ple d'aigua. Si la superfície del dipòsit d'aigua és
tancat, quina és la pressió de l'aigua al fons del recipient? g = 10 m/s2
Discussió
Se sap que:
Alçada (h) = 10 m
Densitat de l'aigua (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Pressió atmosfèrica (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s2) / m2 = 1 x 105 kg/ms2
Acceleració deguda a la gravetat (g) = 10 m/s2
Preguntat: Pressió
Resposta:
El recipient està tancat, de manera que la pressió atmosfèrica no s'inclou en els càlculs.
Exemple de pregunta 3:
L'alçada de la columna d'aigua (dreta) = 50 cm, mentre que l'alçada de l'altra columna de líquid (esquerra) = 30 cm. Quina és la densitat de l'altre líquid?
Discussió
Se sap que:
Acceleració deguda a la gravetat (g) = 10 m/s2
Nivell de l'aigua (h)1) = 50 cm
Densitat de l'aigua (ρ1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Alçada d'altres fluids (h)2) = 30 cm
Densitat d'altres líquids (ρ2) =?
pa + ρ1 gh1 = pa + ρ2 gh2
La pressió atmosfèrica (Pa) i l'acceleració gravitatòria (g) són iguals, per tant es cancel·len.
Exemple de pregunta 4:
Dins d'un tub de vidre hi ha un líquid de 10 cm d'alçada. La pressió de l'aigua al fons del tub és de 1200 N/m.2Si g = 10 m/s2Ignora la pressió de l'aire. Quina és la densitat del líquid?
A. 800 kg/m²3
B. 900 kg/m²3
C. 1000 kg/m²3
D. 1200 kg/m²3
E. 1300 kg/m3
Discussió:
És conegut :
Ketinggian líquid (h) = 10 cm = 0,1 metres
Pressió de l'aigua (P) a la base del tub = 1200 N/m2
Acceleració de la gravetat (g) = 10 m/s2
Preguntat :
Densitat líquid?
Jawab :
Densitat el líquid és de 1200 kg/m3.
La resposta correcta és D.
Exemple de pregunta 5:
El mercuri en recipients connectats té una diferència superficial de 3 cm. La densitat del mercuri = 13,6 gr/cm3L'alçada del líquid al tub de l'esquerra és de 10 cm. Quina és la densitat del líquid?
A. 800 kg/m²3
B. 1030 kg/m²3
C. 1080 kg/m²3
D. 1300 kg/m²3
E. 1360 kg/m3
Discussió:
És conegut :
Alçada (h) de Mercuri = 3 cm = 0,03 m
Densitat del mercuri = 13,6 gr/cm3 = 13600 kg / m3
Alçada (h) del líquid = 10 cm = 0,1 m
Preguntat :
Densitat líquid?
Resposta:
El sistema es troba en un estat d'equilibri estàtic, per tant pressió de líquid (tub esquerre) = pressió de mercuri (tub dret)
Paire +Plíquid = Paire +Pmercuri
La pressió de l'aire és la mateixa, per tant, s'elimina de l'equació
Plíquid = Paire
La resposta correcta és C.
