Skysčio slėgis

Skysčio slėgio medžiaga

Fizikoje slėgis apibrėžiamas kaip jėga ploto vienetui, kur jėgos kryptis yra statmena paviršiaus plotui. Matematiškai slėgis išreiškiamas lygtimi P = F/A, kur P = slėgis, F = jėga ir A = paviršiaus plotas. Jėgos (F) vienetas yra niutonas (N), ploto vienetas – kvadratiniai metrai (m²). Kadangi slėgis yra jėga ploto vienetui, slėgio ^vienetas yra N/m² ^{. Kitas N/ m²} pavadinimas yra paskalis (Pa). Paskalis naudojamas kaip slėgio vienetas Blezo Paskalio garbei.

Kai skystis yra ramybės būsenoje, jis veikia jėgą, statmeną visam paviršiui, su kuriuo liečiasi. Pavyzdžiui, įsivaizduokite vandenį stiklinėje; kiekviena vandens dalis veikia jėgą, statmeną stiklo sienelei. Todėl kiekviena vandens dalis veikia jėgą, statmeną kiekvienam indo, kuriame ji yra, ploto vienetui. Tai svarbi statinio skysčio, ramybės būsenos, savybė. Kai skystis veikia paviršių, kur jėga nėra statmena, paviršius veiks reakcijos jėgą, kuri taip pat nėra statmena. Dėl to skystis tekės. Tačiau iš tikrųjų skystis lieka ramybės būsenoje. Todėl ramybės būsenoje esančiame skystyje jėga visada yra statmena indo, kuriame jis yra, paviršiui.

Kita svarbi ramybės būsenos skysčio savybė yra ta, kad jis visada daro slėgį visomis kryptimis. Norėdami geriau tai suprasti, įdėkite plūduriuojantį objektą į vandens indą. Jei vanduo visiškai nejuda, objektas liks nejudantis, nes slėgis, veikiantis visą jo paviršių, yra vienodas. Jei vandens slėgis yra nevienodas, veiks grynoji jėga, kuri sukels objekto judėjimą.

Gylio įtaka slėgiui

Kaip gylis arba aukštis veikia skysčio slėgį? Ar jūros vandens slėgis 10 metrų gylyje yra toks pat kaip jūros vandens slėgis 100 metrų gylyje? Panagrinėkime vandens slėgį inde, kaip parodyta paveiksle. Skysčio stulpelio aukštis yra h, o jo skerspjūvio plotas – A. Koks yra vandens slėgis indo dugne?

w = vandens svoris, h = vandens stulpelio aukštis cilindriniame inde, A = paviršiaus plotas ir P yra slėgis.

Informacija:
w = gravitacija
ρ = tankis
m = masė
g = gravitacijos pagreitis
V = hA = skysčio kolonėlės tūris (h = aukštis, A = paviršiaus plotas)

Jei įtrauksime tai į slėgio lygtį, gausime:

p = ρgh → 1 lygtis (uždaras indas)
p = pa + ρ gh → 2 lygtis (atviras konteineris)

Informacija:
pa = Atmosferos slėgis
ρgh = Hidrostatinis slėgis

Aukščiau esančiame paveikslėlyje atmosferos slėgis nepavaizduotas, tačiau iš tikrųjų, jei indas su vandeniu yra atidarytas, atmosferos slėgis veiks ir vandens paviršių, kuris nukreiptas žemyn.

Remiantis aukščiau pateikta lygtimi, atrodo, kad slėgis yra tiesiogiai proporcingas skysčio tankiui ir gyliui (gravitacinis pagreitis išlieka pastovus). Didėjant skysčio gyliui, slėgis taip pat didėja. Skysčiai yra beveik nesuspaudžiami dėl virš jų esančio skysčio svorio, todėl skysčio tankis išlieka pastovus. Jei aukščio skirtumas yra labai didelis (pavyzdžiui, labai giliame jūros vandenyje), tankis šiek tiek kinta. Tačiau jei aukščio skirtumas nėra per didelis, skysčio tankis iš esmės yra vienodas arba skirtumas yra toks mažas, kad jį galima ignoruoti.

Taip pat galime naudoti aukščiau pateiktą lygtį slėgio skirtumui skirtinguose gyliuose apskaičiuoti. Šią lygtį galima perrašyti taip:

Atmosferos slėgis

Kai neriame po vandeniu, visą mūsų kūną gaubia vanduo. Kuo giliau neriame, tuo didesnį slėgį jaučiame. Tiesą sakant, kiekvieną dieną mus taip pat gaubia atmosfera, kuri nuolat spaudžia visas mūsų kūno dalis, lygiai taip pat, kaip ir būdami po vandeniu. Kaip ir jūros vandenyje, Žemės paviršių galima palyginti su atmosferos „jūros dugnu“. Jei tiesa, kad atmosfera taip pat nuolat spaudžia visas mūsų kūno dalis, kodėl mes jos nejaučiame, tarsi būtume jūros dugne? Mūsų kūno ląstelės palaiko vidinį slėgį, kuris yra beveik toks pat kaip išorinis. Štai kodėl mes nejaučiame šio slėgio skirtumo poveikio.

Žemės atmosferos slėgis taip pat kinta priklausomai nuo aukščio. Tačiau atmosferos slėgis šiek tiek skiriasi nuo skysčių slėgio. Skysčių tankio pokytis yra labai mažas esant nedideliems gylio skirtumams, todėl laikoma, kad skysčių tankis yra vienodas. Tai skiriasi nuo Žemės atmosferos tankio. Žemės atmosferos tankis labai kinta priklausomai nuo aukščio. Oro tankis skirtinguose aukštyje yra skirtingas, todėl negalime apskaičiuoti atmosferos slėgio naudodami aukščiau pateiktą lygtį. Be to, nėra aiškios atmosferos ribos, nuo kurios būtų galima išmatuoti aukštį. Atmosferos slėgis taip pat kinta priklausomai nuo oro sąlygų. Norėdami nustatyti atmosferos slėgį, atliekame matavimus.

Slėgio matavimas

Evangelista Torricelli (1608–1647), Galilėjaus mokinys, 1643 m. sukūrė atmosferos slėgio matavimo metodą, naudodamas savo gyvsidabrio barometrą. Barometras buvo ilgas stiklinis vamzdelis, pripildytas gyvsidabrio. Gyvsidabriu pripildytas stiklinis vamzdelis buvo apverstas inde, taip pat pripildytame gyvsidabrio.

Kai stiklinis vamzdelis su gyvsidabriu apverčiamas aukštyn kojomis, vamzdelio galas neužsipildo gyvsidabriu, jame yra tik gyvsidabrio garų, kurių slėgis yra toks mažas, kad į jį nekreipiama dėmesio (p₂ = 0). Plokštelėje esančio gyvsidabrio paviršiuje yra atmosferos slėgis, nukreiptas žemyn (atmosfera spaudžia plokštelėje esantį gyvsidabrį). Šis atmosferos slėgis palaiko gyvsidabrio stulpelį stikliniame vamzdelyje. Paveikslėlyje atmosferos slėgis simbolizuojamas p._o Atmosferos slėgio dydį galima apskaičiuoti pagal šią lygtį:

p _o = ρgh

Remiantis matavimo rezultatais, vidutinis atmosferos slėgis jūros lygyje yra 1,013 x 10⁻⁶ ^N /m₂ ^. Atmosferos slėgio dydis jūros lygyje naudojamas kitam slėgio vienetui, būtent atm (atmosferai), apibrėžti. Taigi 1 atm = 1,013 x 10⁻⁶ ^N /m₂ ⁼ 101,3 kPa (kPa = kilopaskalis). Kitas slėgio vienetas yra baras (dažnai naudojamas meteorologijoje). 1 baras = 1,00 x 10⁻⁶ ^N /m₂ ⁼ 100 kPa.

Kaip gaunama aukščiau nurodyta atmosferos slėgio vertė?
Matavimas atliekamas pagal aukščiau pateiktą Torricelli principą. Naudojamo gyvsidabrio stulpelio aukštis yra 76 cm (atmosferos slėgis gali išlaikyti tik 76,0 cm aukščio gyvsidabrio stulpelį), o naudojamo gyvsidabrio temperatūra yra lygiai 0. ^oC, o gravitacinio pagreičio dydis yra 9,8 m/s²Gyvsidabrio tankis šioje būsenoje yra 13,6 x 10³ kg / m³Atmosferos slėgis:

Slėgio matuoklis

Slėgiui matuoti naudojami įvairūs prietaisai, įskaitant atviro vamzdžio manometrą.

Atviro tipo manometre, kurio vamzdelis yra U formos, vamzdelis yra iš dalies užpildytas skysčiu (gyvsidabriu arba vandeniu). Išmatuotas slėgis yra susijęs su dviejų į vamzdelį įleistų skysčių aukščių skirtumu. Slėgis apskaičiuojamas pagal šią lygtį:

Paprastai skaičiuojamas ne ρ/gh sandauga, o skysčio aukštis (h), nes slėgis kartais išreiškiamas gyvsidabrio stulpelio milimetrais (mm hg) arba vandens stulpelio milimetrais (mm H₂O ₎ . Kitas mm hg pavadinimas yra toras (Evangelistos Torricelli atminimui).

Be manometrų, yra ir kitų matavimo prietaisų, būtent aneroidinių barometrų, tiek mechaninių, tiek elektrinių, įskaitant padangų slėgio matuoklius ir kt. Torricelli naudojamas prietaisas atmosferos slėgiui matuoti dar vadinamas gyvsidabrio barometru, kai stiklinis vamzdelis pripildomas gyvsidabrio, o po to apverčiamas į plokštelę, kurioje taip pat yra gyvsidabrio.

Nominalus slėgis, manometrinis slėgis ir absoliutus slėgis

Pildant padangas oru, paprastai naudojamas oro slėgio matuoklis. Jis užtikrina, kad padangų slėgis nebūtų nei per žemas, nei per aukštas. Pildant padangas oru, matuojamas tik oro slėgis padangos viduje. Į atmosferos slėgį neatsižvelgiama. Ne tik matuojant padangų slėgį, bet ir atliekant daugumą kitų slėgio matavimų, atmosferos slėgis nematuojamas. Šis išmatuotas slėgis vadinamas išmatuotu slėgiu. Taigi, kuo jis skiriasi nuo absoliutaus slėgio?

Absoliutus slėgis = atmosferos slėgis + išmatuotas slėgis. Taigi, norint gauti absoliutų slėgį, išmatuotą slėgį pridedame prie atmosferos slėgio. Kitaip tariant, absoliutus slėgis = bendras slėgis. Matematiškai tai galima užrašyti taip:

p = pa + p matas

Pavyzdžiui, jei išmatuotas padangų slėgis = 100 kPa, tai absoliutus slėgis yra:
p = pa + p matas
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Absoliutus slėgis = 201 kPa.

Yra dar vienas terminas: manometrinis slėgis, dar žinomas kaip manometrinis slėgis. Manometrinis slėgis yra perteklinis slėgis, viršijantis atmosferos slėgį. Pavyzdžiui, paimkime motociklo padangos slėgį. Kai motociklo padanga išleista, slėgis padangos viduje lygus atmosferos slėgiui (atmosferos slėgis = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Kai padanga pripildoma oro, padangos slėgis natūraliai padidėja. Kai padangos slėgis viršija 101 kPa, perteklinis slėgis dar vadinamas manometriniu slėgiu.

Skysčio slėgio pavyzdžių klausimai

1 klausimo pavyzdys:

Povandeninis laivas neria į 200 metrų gylį. Kokį slėgį patiria povandeninis laivas?
nėrimas? g = 10 m/s²
Pembahasanas
Yra žinoma, kad:
Gylis (h) = 200 m
Jūros vandens tankis (ρ) = 1,03 x 10³ kg / m³ = 1030 kg/m³ (žr. tankio lentelę)
Atmosferos slėgis (Pa) = 1 atm = 1 x 10⁵ N / m² = 1 x 10⁵ (Kg m/s²)/m² = 1 x 10⁵ Kg/ms²
Gravitacijos pagreitis (g) = 10 m/s²
Paklausta: Spaudimas
Jawab :

Talpykla atidaryta, todėl atmosferos slėgis į skaičiavimus neįtrauktas.

2 klausimo pavyzdys:

10 metrų aukščio vandens rezervuaras pripildytas vandens. Jei vandens rezervuaro paviršius yra
uždarytas, koks vandens slėgis indo apačioje? g = 10 m/s²
Pembahasanas
Yra žinoma, kad:
Aukštis (h) = 10 m
Vandens tankis (ρ) = 1,00 x 10³ kg / m³ = 1000 kg/m³
Atmosferos slėgis (Pa) = 1 atm = 1 x 10⁵ N / m² = 1 x 10⁵ (kg m/s²) / m² = 1 x 10⁵ Kg/ms²
Gravitacijos pagreitis (g) = 10 m/s²
Paklausta: Spaudimas
Jawab :

Talpykla yra uždara, todėl atmosferos slėgis į skaičiavimus neįtrauktas.

3 klausimo pavyzdys:

Vandens stulpelio (dešinėje) aukštis = 50 cm, o kito skysčio stulpelio (kairėje) aukštis = 30 cm. Koks yra kito skysčio tankis?

Pembahasanas
Yra žinoma, kad:
Gravitacijos pagreitis (g) = 10 m/s²
Vandens lygis (val.)₁) = 50 cm
Vandens tankis (ρ₁) = 1,00 x 10³ kg / m³ = 1000 kg/m³
Kitas skysčio aukštis (h₂) = 30 cm
Kitų skysčių tankis (ρ₂) =?

pa + ρ ₁ gh ₁ = pa + ρ ₂ gh ₂

Atmosferos slėgis (Pa) ir gravitacinis pagreitis (g) yra vienodi, todėl jie vienas kitą panaikina.

4 klausimo pavyzdys:

Stiklinio vamzdelio viduje yra 10 cm aukščio skystis. Vandens slėgis vamzdelio apačioje yra 1200 N/m².²Jei g = 10 m/s²Nepaisykite oro slėgio. Koks yra skysčio tankis?
A. 800 kg/m²³
B. 900 kg/m²³
C. 1000 kg/m²³
D. 1200 kg/m²³
E. 1300 kg/m²³
Diskusija:
Yra žinoma :
Ketinggianas skystis (h) = 10 cm = 0,1 metro
Vandens slėgis (P) vamzdžio apačioje = 1200 N/m²
Gravitacijos pagreitis (g) = 10 m/s²
Paklausta :
Tankis skystis?
Jawab :

Tankis skysčio tūris yra 1200 kg/m³.³.
Teisingas atsakymas yra D.

5 klausimo pavyzdys:

Gyvsidabrio paviršiaus skirtumas sujungtuose induose yra 3 cm. Gyvsidabrio tankis = 13,6 g/cm³.³Skysčio aukštis kairiajame vamzdelyje yra 10 cm. Koks yra skysčio tankis?
A. 800 kg/m²³
B. 1030 kg/m²³
C. 1080 kg/m²³
D. 1300 kg/m²³
E. 1360 kg/m²³

Diskusija:
Yra žinoma :
Merkurijaus aukštis (h) = 3 cm = 0,03 m
Gyvsidabrio tankis = 13,6 g/cm³³ = 13600 kg/m³
Skysčio aukštis (h) = 10 cm = 0,1 m
Paklausta :
Tankis skystis?
Jawab :
Sistema yra statinės pusiausvyros būsenoje, todėl skysčio slėgis (kairysis vamzdelis) = gyvsidabrio slėgis (dešinysis vamzdelis).
P_streikuoja + P_skystis = P_streikuoja + P_gyvsidabris
Oro slėgis yra toks pats, todėl jis pašalinamas iš lygties.

P _skystis = P _oras

Teisingas atsakymas yra C.