Ορισμός πίεσης, μονάδες και παραδείγματα
Στην επιστήμη, πίεση είναι μια μέτρηση της δύναμης ανά μονάδα επιφάνειας. Η μονάδα πίεσης SI είναι το pascal (Pa), το οποίο ισοδυναμεί με N/m (newton ανά μέτρο στο τετράγωνο).
Βασικό παράδειγμα
Εάν είχατε 1 Newton (1 N) δύναμης κατανεμημένη σε 1 τετραγωνικό μέτρο (1 m), τότε το αποτέλεσμα είναι 1 N/1 m =1 N/m =1 Pa. Αυτό προϋποθέτει ότι η δύναμη κατευθύνεται κάθετα προς την επιφάνεια περιοχή.
Εάν αυξήσετε την ποσότητα της δύναμης αλλά την εφαρμόσατε στην ίδια περιοχή, τότε η πίεση θα αυξανόταν αναλογικά. Μια δύναμη 5 N που κατανέμεται στην ίδια περιοχή 1 τετραγωνικού μέτρου θα ήταν 5 Pa. Ωστόσο, εάν επεκτείνετε επίσης τη δύναμη, τότε θα διαπιστώσετε ότι η πίεση αυξάνεται σε αντίστροφη αναλογία με την αύξηση της περιοχής.
Αν είχατε ισχύ 5 N κατανεμημένη σε 2 τετραγωνικά μέτρα, θα παίρνατε 5 N/2 m =2,5 N/m =2,5 Pa.
Μονάδες πίεσης
Μια μπάρα είναι μια άλλη μετρική μονάδα πίεσης, αν και δεν είναι η μονάδα SI. Ορίζεται ως 10.000 Pa. Δημιουργήθηκε το 1909 από τον Βρετανό μετεωρολόγο William Napier Shaw.
Ατμοσφαιρική πίεση , συχνά σημειώνεται ως pa , είναι η πίεση της ατμόσφαιρας της Γης. Όταν στέκεστε έξω στον αέρα, η ατμοσφαιρική πίεση είναι η μέση δύναμη όλου του αέρα πάνω και γύρω σας που πιέζει το σώμα σας προς τα μέσα.
Η μέση τιμή για την ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας ορίζεται ως 1 ατμόσφαιρα ή 1 atm. Δεδομένου ότι πρόκειται για μέσο όρο ενός φυσικού μεγέθους, το μέγεθος μπορεί να αλλάξει με την πάροδο του χρόνου με βάση πιο ακριβείς μεθόδους μέτρησης ή πιθανώς λόγω πραγματικών αλλαγών στο περιβάλλον που θα μπορούσαν να έχουν παγκόσμιο αντίκτυπο στη μέση πίεση της ατμόσφαιρας.
- 1 Pa =1 N/m
- 1 bar =10.000 Pa
- 1 atm ≈ 1,013 × 10 Pa =1,013 bar =1013 millibar
Πώς λειτουργεί η πίεση
Η γενική έννοια της δύναμης αντιμετωπίζεται συχνά σαν να δρα σε ένα αντικείμενο με εξιδανικευμένο τρόπο. (Αυτό είναι πράγματι κοινό για τα περισσότερα πράγματα στην επιστήμη, και ιδιαίτερα στη φυσική, καθώς δημιουργούμε εξιδανικευμένα μοντέλα για να επισημάνουμε τα φαινόμενα στα οποία προσέχουμε ιδιαίτερα και να αγνοούμε όσα άλλα φαινόμενα λογικά μπορούμε.) Σε αυτήν την εξιδανικευμένη προσέγγιση, αν ας πούμε ότι μια δύναμη ενεργεί σε ένα αντικείμενο, σχεδιάζουμε ένα βέλος που δείχνει την κατεύθυνση της δύναμης και ενεργούμε σαν να ασκείται όλη η δύναμη σε αυτό το σημείο.
Στην πραγματικότητα, όμως, τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά. Εάν πιέσετε έναν μοχλό με το χέρι σας, η δύναμη κατανέμεται στην πραγματικότητα στο χέρι σας και πιέζει τον μοχλό που κατανέμεται σε αυτήν την περιοχή του μοχλού. Για να γίνουν τα πράγματα ακόμη πιο περίπλοκα σε αυτήν την κατάσταση, η δύναμη είναι σχεδόν βέβαιο ότι δεν κατανέμεται ομοιόμορφα.
Εδώ παίζει ρόλο η πίεση. Οι φυσικοί εφαρμόζουν την έννοια της πίεσης για να αναγνωρίσουν ότι μια δύναμη κατανέμεται σε μια επιφάνεια.
Αν και μπορούμε να μιλήσουμε για πίεση σε διάφορα πλαίσια, μια από τις πρώτες μορφές στις οποίες η έννοια μπήκε σε συζήτηση στην επιστήμη ήταν η εξέταση και η ανάλυση των αερίων. Πολύ πριν επισημοποιηθεί η επιστήμη της θερμοδυναμικής το 1800, αναγνωρίστηκε ότι τα αέρια, όταν θερμαίνονται, ασκούσαν δύναμη ή πίεση στο αντικείμενο που τα περιείχε. Το θερμαινόμενο αέριο χρησιμοποιήθηκε για την αιώρηση μπαλονιών θερμού αέρα ξεκινώντας από την Ευρώπη το 1700, και οι Κινέζοι και άλλοι πολιτισμοί είχαν κάνει παρόμοιες ανακαλύψεις πολύ πριν από αυτό. Το 1800 εμφανίστηκε επίσης η ατμομηχανή (όπως απεικονίζεται στη σχετική εικόνα), η οποία χρησιμοποιεί την πίεση που δημιουργείται μέσα σε ένα λέβητα για να δημιουργήσει μηχανική κίνηση, όπως αυτή που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός ποταμόπλοιου, τρένου ή αργαλειού εργοστασίου.
Αυτή η πίεση έλαβε τη φυσική της εξήγηση με την κινητική θεωρία των αερίων, στην οποία οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι εάν ένα αέριο περιείχε μεγάλη ποικιλία σωματιδίων (μόρια), τότε η πίεση που ανιχνεύτηκε θα μπορούσε να αναπαρασταθεί φυσικά από τη μέση κίνηση αυτών των σωματιδίων. Αυτή η προσέγγιση εξηγεί γιατί η πίεση σχετίζεται στενά με τις έννοιες της θερμότητας και της θερμοκρασίας, οι οποίες ορίζονται επίσης ως κίνηση των σωματιδίων χρησιμοποιώντας την κινητική θεωρία. Μια ιδιαίτερη περίπτωση που ενδιαφέρει τη θερμοδυναμική είναι μια ισοβαρική διεργασία, η οποία είναι μια θερμοδυναμική αντίδραση όπου η πίεση παραμένει σταθερή.
Επιμέλεια Anne Marie Helmenstine, Ph.D.
