Vật liệu chịu áp suất chất lỏng
Trong vật lý, áp suất được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích, trong đó hướng của lực vuông góc với diện tích bề mặt. Về mặt toán học, áp suất được biểu thị bằng phương trình P = F/A, trong đó P = áp suất, F = lực và A = diện tích bề mặt. Đơn vị của lực (F) là Newton (N), đơn vị của diện tích là mét vuông (m² ) . Vì áp suất là lực trên một đơn vị diện tích, nên đơn vị của áp suất là N/m² . Một tên gọi khác của N/m² là pascal (Pa). Pascal được sử dụng làm đơn vị áp suất để vinh danh Blaise Pascal.
Khi một chất lỏng ở trạng thái tĩnh, nó tác dụng một lực vuông góc với toàn bộ bề mặt mà nó tiếp xúc. Ví dụ, hãy xem xét nước trong một chiếc cốc; mỗi phần nước tác dụng một lực vuông góc với thành cốc. Do đó, mỗi phần nước tác dụng một lực vuông góc với mỗi đơn vị diện tích của vật chứa mà nó chiếm giữ. Đây là một đặc tính quan trọng của chất lỏng tĩnh, chất lỏng ở trạng thái nghỉ. Khi một chất lỏng tác dụng một lực lên một bề mặt, nếu lực đó không vuông góc, bề mặt sẽ tác dụng một lực phản lực, cũng không vuông góc. Điều này sẽ làm cho chất lỏng chuyển động. Tuy nhiên, trên thực tế, chất lỏng vẫn ở trạng thái nghỉ. Do đó, trong chất lỏng ở trạng thái nghỉ, lực luôn vuông góc với bề mặt của vật chứa mà nó chiếm giữ.
Một đặc tính quan trọng khác của chất lỏng ở trạng thái tĩnh là nó luôn tạo ra áp suất theo mọi hướng. Để hiểu rõ hơn điều này, hãy đặt một vật nổi trong một bình nước. Nếu nước hoàn toàn tĩnh lặng, vật đó sẽ đứng yên vì áp suất tác dụng lên toàn bộ bề mặt của nó là đồng đều. Nếu áp suất nước không đồng đều, sẽ có một lực tổng hợp, khiến vật đó chuyển động.
Ảnh hưởng của độ sâu đến áp suất
Độ sâu hoặc chiều cao ảnh hưởng đến áp suất chất lỏng như thế nào? Áp suất của nước biển ở độ sâu 10 mét có giống với áp suất của nước biển ở độ sâu 100 mét không? Hãy xem xét áp suất nước trong một bình chứa như hình vẽ. Chiều cao cột chất lỏng là h và diện tích mặt cắt ngang là A. Áp suất nước ở đáy bình chứa là bao nhiêu?
w = khối lượng nước, h = chiều cao cột nước trong bình hình trụ, A = diện tích bề mặt và P là áp suất.
Thông tin :
w = trọng lực
ρ = mật độ
m = khối lượng
g = gia tốc trọng trường
V = hA = thể tích cột chất lỏng (h = chiều cao, A = diện tích bề mặt)
Nếu ta thay nó vào phương trình áp suất, ta được:
p = ρ gh → Phương trình 1 (bình kín)
p = pa + ρ gh → Phương trình 2 (bình chứa mở)
Thông tin :
pa = Áp suất khí quyển
ρ gh = Áp suất thủy tĩnh
Trong hình trên, áp suất khí quyển không được thể hiện, nhưng trên thực tế, nếu bình chứa nước không được đậy kín, áp suất khí quyển cũng sẽ tác động lên bề mặt nước, hướng xuống dưới.
Dựa trên phương trình trên, có vẻ như áp suất tỷ lệ thuận với mật độ và độ sâu của chất lỏng (gia tốc trọng trường không đổi). Khi độ sâu của chất lỏng tăng lên, áp suất cũng tăng lên. Chất lỏng gần như không thể nén được do trọng lượng của chất lỏng phía trên nó, vì vậy mật độ của chất lỏng không đổi. Nếu chênh lệch độ cao rất lớn (ví dụ, trong nước biển rất sâu), mật độ sẽ thay đổi một chút. Tuy nhiên, nếu chênh lệch độ cao không quá lớn, mật độ của chất lỏng về cơ bản là như nhau hoặc sự khác biệt nhỏ đến mức có thể bỏ qua.
Chúng ta cũng có thể sử dụng phương trình trên để tính toán sự chênh lệch áp suất ở các độ sâu khác nhau. Phương trình trên có thể được viết lại như sau:
Áp suất khí quyển
Khi lặn xuống nước, toàn bộ cơ thể chúng ta được bao bọc bởi nước. Càng lặn sâu, áp lực chúng ta cảm nhận càng lớn. Trên thực tế, mỗi ngày chúng ta cũng được bao bọc bởi bầu khí quyển, liên tục tác động lên tất cả các bộ phận trên cơ thể, giống như khi chúng ta ở dưới nước. Cũng giống như trong nước biển, bề mặt Trái đất có thể được ví như "đáy biển" của bầu khí quyển. Nếu đúng là bầu khí quyển cũng tác động lên tất cả các bộ phận trên cơ thể chúng ta mọi lúc, tại sao chúng ta không cảm nhận được điều đó, như thể đang ở dưới đáy biển? Các tế bào trong cơ thể duy trì một áp suất bên trong gần như bằng với áp suất bên ngoài. Đó là lý do tại sao chúng ta không cảm nhận được tác động của sự chênh lệch áp suất này.
Áp suất khí quyển của Trái Đất cũng thay đổi theo độ cao. Tuy nhiên, áp suất khí quyển chỉ khác một chút so với áp suất của chất lỏng. Sự thay đổi mật độ của chất lỏng rất nhỏ đối với những khác biệt nhỏ về độ sâu, vì vậy mật độ của chất lỏng được giả định là như nhau. Điều này khác với mật độ của khí quyển Trái Đất. Mật độ của khí quyển Trái Đất thay đổi đáng kể theo độ cao. Mật độ không khí ở các độ cao khác nhau là khác nhau, vì vậy chúng ta không thể tính toán áp suất khí quyển bằng phương trình đã nêu ở trên. Hơn nữa, không có ranh giới khí quyển rõ ràng nào để có thể đo độ cao. Áp suất khí quyển cũng thay đổi theo thời tiết. Để xác định áp suất khí quyển, chúng ta cần tiến hành đo đạc.
Đo áp suất
Evangelista Torricelli (1608–1647), một học trò của Galileo, đã phát triển phương pháp đo áp suất khí quyển vào năm 1643 bằng cách sử dụng áp kế thủy ngân của mình. Áp kế bao gồm một ống thủy tinh dài chứa đầy thủy ngân. Ống thủy tinh chứa thủy ngân được úp ngược trong một cái đĩa cũng chứa đầy thủy ngân.
Khi lật ngược một ống thủy tinh chứa thủy ngân, phần cuối của ống không chứa đầy thủy ngân mà chỉ chứa hơi thủy ngân, áp suất của hơi này rất nhỏ nên có thể bỏ qua (p2 = 0). Trên bề mặt thủy ngân trong đĩa chịu tác động của áp suất khí quyển hướng xuống dưới (áp suất khí quyển đè lên thủy ngân trong đĩa). Áp suất khí quyển này nâng đỡ cột thủy ngân trong ống thủy tinh. Trong hình, áp suất khí quyển được ký hiệu bằng po Độ lớn của áp suất khí quyển có thể được tính bằng phương trình:
p o = ρ gh
Dựa trên kết quả đo, áp suất khí quyển trung bình ở mực nước biển là 1,013 x 10⁵ N /m² . Độ lớn của áp suất khí quyển ở mực nước biển được sử dụng để xác định một đơn vị áp suất khác, đó là atm (áp suất khí quyển). Vì vậy, 1 atm = 1,013 x 10⁵ N /m² = 101,3 kPa (kPa = kilopascal). Một đơn vị áp suất khác là bar (thường được sử dụng trong khí tượng học). 1 bar = 1,00 x 10⁵ N /m² = 100 kPa.
Giá trị áp suất khí quyển nêu trên được tính như thế nào?
Phép đo sử dụng nguyên lý đã được Torricelli chứng minh ở trên. Chiều cao của cột thủy ngân được sử dụng là 76 cm (áp suất khí quyển chỉ có thể nâng đỡ cột thủy ngân cao tối đa 76,0 cm), trong đó nhiệt độ của thủy ngân được sử dụng chính xác là 0°C. oC và độ lớn của gia tốc trọng trường là 9,8 m/s.2Khối lượng riêng của thủy ngân trong điều kiện này là 13,6 x 10⁻³.3 kg / m3Áp suất khí quyển:
Đồng hồ đo áp suất
Có nhiều dụng cụ được sử dụng để đo áp suất, bao gồm cả áp kế ống hở.
Trong một áp kế ống hở, có ống hình chữ U, ống được đổ đầy một phần bằng chất lỏng (thủy ngân hoặc nước). Áp suất đo được liên quan đến sự chênh lệch chiều cao giữa hai mực chất lỏng được đổ vào ống. Áp suất được tính bằng phương trình:
Nhìn chung, người ta không tính tích của ρgh mà là chiều cao của chất lỏng (h) vì áp suất đôi khi được biểu thị bằng milimét thủy ngân (mm hg) hoặc milimét nước (mm H₂O ) . Một tên gọi khác của mm hg là torr (để tưởng nhớ Evangelista Torricelli).
Bên cạnh áp kế, còn có các dụng cụ đo khác, cụ thể là áp kế khí quyển, cả loại cơ khí và điện tử, bao gồm cả đồng hồ đo áp suất lốp, v.v. Dụng cụ mà Torricelli sử dụng để đo áp suất khí quyển cũng được gọi là áp kế thủy ngân, trong đó một ống thủy tinh được đổ đầy thủy ngân rồi úp ngược vào một tấm cũng chứa thủy ngân.
Áp suất định mức, áp suất đo và áp suất tuyệt đối
Khi bơm hơi vào lốp xe, người ta thường sử dụng đồng hồ đo áp suất không khí. Điều này đảm bảo áp suất lốp không quá thấp cũng không quá cao. Khi bơm hơi vào lốp, chỉ có áp suất không khí bên trong lốp được đo. Áp suất khí quyển không được tính đến. Không chỉ khi đo áp suất lốp, mà trong hầu hết các phép đo áp suất khác, áp suất khí quyển cũng không được đo. Áp suất đo được này được gọi là áp suất đo. Vậy, sự khác biệt giữa áp suất đo và áp suất tuyệt đối là gì?
Áp suất tuyệt đối = áp suất khí quyển + áp suất đo được. Vì vậy, để có được áp suất tuyệt đối, ta cộng áp suất đo được với áp suất khí quyển. Nói cách khác, áp suất tuyệt đối = áp suất toàn phần. Về mặt toán học, điều này có thể được viết như sau:
p = pa + p đo lường
Ví dụ, nếu áp suất lốp đo được là 100 kPa, thì áp suất tuyệt đối là:
p = pa + p đo lường
p = 101 kPa + 100 kPa
p = 201 kPa
Áp suất tuyệt đối = 201 kPa.
Còn một thuật ngữ khác nữa: áp suất đo, hay còn gọi là áp suất dư. Áp suất đo là áp suất chênh lệch so với áp suất khí quyển. Ví dụ, hãy xem xét áp suất lốp xe máy. Khi lốp xe máy bị xì hơi, áp suất bên trong lốp bằng áp suất khí quyển (Áp suất khí quyển = 1,01 x 105⁵ Pa = 101 kPa). Khi lốp được bơm hơi, áp suất trong lốp sẽ tăng lên. Khi áp suất trong lốp vượt quá 101 kPa, áp suất chênh lệch này còn được gọi là áp suất đo.
Ví dụ về áp suất chất lỏng
Ví dụ câu hỏi 1:
Một tàu ngầm lặn xuống độ sâu 200 mét. Áp suất mà tàu ngầm phải chịu là bao nhiêu?
cú nhảy? g = 10 m/s2
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Độ sâu (h) = 200 m
Mật độ của nước biển (ρ) = 1,03 x 103 kg / m3 = 1030 kg / m3 (xem bảng mật độ)
Áp suất khí quyển (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (Kg m/s2) / m2 = 1 x 105 Kg/ms2
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/s2
Câu hỏi: Áp lực
Hàm:
Vì bình chứa đang mở nên áp suất khí quyển không được tính vào các phép tính.
Ví dụ câu hỏi 2:
Một bể chứa nước cao 10 mét được đổ đầy nước. Nếu mực nước trong bể chứa là...
Khi bình kín, áp suất nước ở đáy bình là bao nhiêu? g = 10 m/s2
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Chiều cao (h) = 10 m
Khối lượng riêng của nước (ρ) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Áp suất khí quyển (pa) = 1 atm = 1 x 105 N / m2 = 1 x 105 (kg m/s2) / phút2 = 1 x 105 Kg/ms2
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/s2
Câu hỏi: Áp lực
Hàm:
Vì bình chứa được đóng kín nên áp suất khí quyển không được tính vào các phép tính.
Ví dụ câu hỏi 3:
Chiều cao cột nước (bên phải) = 50 cm, trong khi chiều cao cột chất lỏng khác (bên trái) = 30 cm. Tính mật độ của chất lỏng kia?
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết rằng:
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/s2
Mực nước (h)1) = 50cm
Mật độ của nước (ρ)1) = 1,00 x 103 kg / m3 = 1000 kg / m3
Chiều cao chất lỏng khác (h)2) = 30cm
Mật độ của các chất lỏng khác (ρ)2) =?
pa + ρ 1 gh 1 = pa + ρ 2 gh 2
Áp suất khí quyển (Pa) và gia tốc trọng trường (g) bằng nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Ví dụ câu hỏi 4:
Bên trong một ống thủy tinh có một lớp chất lỏng cao 10 cm. Áp suất nước ở đáy ống là 1200 N/m.2Nếu g = 10 m/s2Bỏ qua áp suất không khí. Khối lượng riêng của chất lỏng là bao nhiêu?
A. 800 kg/m3
B. 900 kg/m3
C. 1000 kg/m3
D. 1200 kg/m3
E. 1300 kg/m3
Cuộc thảo luận :
Người ta biết rằng :
Ketinggian chất lỏng (h) = 10 cm = 0,1 mét
Áp suất nước (P) ở đáy ống = 1200 N/m2
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/s2
Yêu cầu :
Tỉ trọng chất lỏng?
Jawab :
Tỉ trọng Chất lỏng có mật độ 1200 kg/m³.3.
Đáp án đúng là D.
Ví dụ câu hỏi 5:
Thủy ngân trong các bình nối liền nhau có chênh lệch diện tích bề mặt là 3 cm. Khối lượng riêng của thủy ngân = 13,6 g/cm³3Chiều cao của chất lỏng trong ống bên trái là 10 cm. Tính mật độ của chất lỏng đó?
A. 800 kg/m3
B. 1030 kg/m3
C. 1080 kg/m3
D. 1300 kg/m3
E. 1360 kg/m3
Cuộc thảo luận :
Người ta biết rằng :
Chiều cao (h) của sao Thủy = 3 cm = 0,03 m
Khối lượng riêng của thủy ngân = 13,6 g/cm³3 = 13600 kg / m3
Chiều cao (h) của chất lỏng = 10 cm = 0,1 m
Yêu cầu :
Tỉ trọng chất lỏng?
Hàm:
Hệ thống đang ở trạng thái cân bằng tĩnh, do đó áp suất chất lỏng (ống bên trái) = áp suất thủy ngân (ống bên phải)
Pkhông khí + Pchất lỏng = Pkhông khí + Pthủy ngân
Áp suất không khí là như nhau nên nó được loại bỏ khỏi phương trình.
Áp suất chất lỏng = Áp suất không khí
Đáp án đúng là C.
