Давление

Давление, создаваемое столкновениями частиц внутри закрытого контейнера

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Сжимаемость  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Тепловое расширение  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\displaystyle U(S,V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

Давление (обозначение: p или P ) - это сила, приложенная перпендикулярно к поверхности объекта на единицу площади, по которой эта сила распределяется. ^{: 445 [1]} Избыточное давление (также пишется манометр давление) ^[а] это давление по отношению к давлению окружающей среды.

Для выражения давления используются различные единицы измерения . Некоторые из них происходят от единицы силы, деленной на единицу площади; единица давления в системе СИ , паскаль (Па), например, равна одному ньютону на квадратный метр (Н / м ² ); аналогично фунт-сила на квадратный дюйм ( psi ) - это традиционная единица измерения давления в имперской системе и системе США . Давление также может быть выражено через стандартное атмосферное давление ; атмосфера (атм) равно это давление, и торропределяется как ¹ / ₇₆₀ этого. Манометрические единицы, такие как сантиметр водяного столба , миллиметр ртутного столба и дюйм ртутного столба , используются для выражения давления в терминах высоты столба конкретной жидкости в манометре.

Определение [ править ]

Давление - это сила, приложенная под прямым углом к поверхности объекта на единицу площади. Его символ - "p" или " P" . ^[2] ИЮПАК рекомендация для давления является строчным р . ^[3] Однако P в верхнем регистре широко используется. Использование P vs p зависит от поля, в котором он работает, от наличия поблизости других символов для таких величин, как мощность и импульс , а также от стиля письма.

Формула [ править ]

Математически:

${\displaystyle p={\frac {F}{A}},}$^[4]

куда:

${\displaystyle p}$ давление,

${\displaystyle F}$- величина нормальной силы ,

${\displaystyle A}$ площадь контакта.

Давление - это скалярная величина. Он связывает элемент векторной площади (вектор, нормальный к поверхности) с действующей на него нормальной силой . Давление - это скалярная константа пропорциональности, которая связывает два нормальных вектора:

${\displaystyle d\mathbf {F} _{n}=-p\,d\mathbf {A} =-p\,\mathbf {n} \,dA.}$

Знак минус возникает из-за того, что сила учитывается по направлению к элементу поверхности, а вектор нормали направлен наружу. Уравнение имеет смысл в том, что для любой поверхности S, контактирующей с жидкостью, полная сила, действующая на эту поверхность жидкостью, является поверхностным интегралом по S правой части приведенного выше уравнения.

Неправильно (хотя и довольно часто) говорить «давление направлено в том или ином направлении». Давление, как скаляр, не имеет направления. Сила, заданная предыдущим отношением к величине, имеет направление, а давление - нет. Если мы изменим ориентацию элемента поверхности, направление нормальной силы изменится соответствующим образом, но давление останется прежним.

Давление распределяется по твердым границам или по произвольным участкам жидкости нормально к этим границам или участкам в каждой точке. Это является фундаментальным параметром в термодинамике , и он сопряжен с объемом .

Единицы [ править ]

СИ единица давления является паскалем (Па), равно одной ньютонов на квадратный метр (Н / м ² , или кг · м ^-1 · с ^-2 ). Это название единицы было добавлено в 1971 году; ^[5] до этого давление в СИ выражалось просто в ньютонах на квадратный метр.

Другие единицы давления, такие как фунты на квадратный дюйм (фунт-сила / дюйм ² ) и бар , также широко используются. РКУ единицей давления является микробар (Ва), равной 1 дин · см ^-2 , или 0,1 Па. Давление иногда выражается в граммах силы или кгс на квадратный сантиметр (г / см ² или кг / см ² ) и т.п. без правильного определения силовых единиц. Но использование названий килограмм, грамм, килограмм-сила или грамм-сила (или их символы) в качестве единиц силы категорически запрещено в системе СИ. Техническая атмосфера (символ: в) составляет 1 кгс / см ² (98,0665 кПа, или 14,223 фунтов на квадратный дюйм).

Поскольку система, находящаяся под давлением, потенциально может работать с окружающей средой, давление является мерой потенциальной энергии, запасенной на единицу объема. Следовательно, он связан с плотностью энергии и может быть выражен в таких единицах, как джоуль на кубический метр (Дж / м ³ , что равно Па). Математически:

${\displaystyle p={\frac {F\cdot {\text{distance}}}{A\cdot {\text{distance}}}}={\frac {\text{Work}}{\text{Volume}}}={\frac {\text{Energy (J)}}{{\text{Volume }}({\text{m}}^{3})}}.}$

Некоторые метеорологи предпочитают гектопаскаль (гПа) для атмосферного давления воздуха, что эквивалентно старой единице миллибар (мбар). Аналогичные значения давления указаны в килопаскалях (кПа) в большинстве других областей, где префикс гекто- используется редко. Дюйм ртути все еще используется в Соединенных Штатах. Океанографы обычно измеряют давление под водой в децибарах (дбар), потому что давление в океане увеличивается примерно на один децибар на метр глубины.

Стандартная атмосфера (атм) является установленным постоянным. Оно приблизительно равно типичному атмосферному давлению на среднем уровне моря и определяется как101 325  Па .

Поскольку давление обычно измеряется его способностью вытеснять столб жидкости в манометре , давление часто выражается как глубина конкретной жидкости (например, сантиметры водяного столба , миллиметры ртутного столба или дюймы ртутного столба ). Чаще всего выбирают ртуть (Hg) и воду; вода нетоксична и легко доступна, в то время как высокая плотность ртути позволяет использовать более короткий столбик (и, следовательно, меньший манометр) для измерения заданного давления. Давление, оказываемое столбом жидкости высотой h и плотностью ρ , определяется уравнением гидростатического давления p = ρgh , где g- ускорение свободного падения . Плотность жидкости и местная гравитация могут изменяться от одного показания к другому в зависимости от местных факторов, поэтому высота столба жидкости не определяет точное давление. Когда сегодня цитируются миллиметры ртутного столба или дюймы ртутного столба, эти единицы не основаны на физическом столбце ртути; скорее, им даны точные определения, которые могут быть выражены в единицах СИ. ^{[ необходима цитата ]} Один миллиметр ртутного столба примерно равен одному торр . Единицы измерения на водной основе по-прежнему зависят от плотности воды, измеренного, а не определенного количества. Эти манометрические единицы до сих пор встречаются во многих областях. Артериальное давление в большинстве стран мира измеряется в миллиметрах ртутного столба, а давление в легких в сантиметрах воды все еще является обычным явлением.

Подводные дайверы используют единицы измерения давления морской воды (MSW или MSW) и морской воды (fsw или FSW), и это стандартные единицы для манометров, используемых для измерения воздействия давления в водолазных камерах и персональных декомпрессионных компьютерах . MSW определяется как 0,1 бар (= 100000 Па = 10000 Па), это не то же самое, что линейный метр глубины. 33,066 fsw = 1 атм ^[6] (1 атм = 101325 Па / 33,066 = 3064,326 Па). Обратите внимание, что преобразование давления из msw в fsw отличается от преобразования длины: 10 msw = 32,6336 fsw, а 10 м = 32,8083 фута ^[6]

Избыточное давление часто указывается в единицах с добавлением «g», например, «кПа изб.», «Бар изб.» Или «psig», а единицам измерения абсолютного давления иногда дается суффикс «а», чтобы избежать путаницы, например « кПа »,« psia ». Однако Национальный институт стандартов и технологий США рекомендует, чтобы во избежание путаницы, любые модификаторы применялись к измеряемой величине, а не к единице измерения. ^[7] Например, « p _g = 100 psi», а не « p = 100 psig» .

Дифференциальное давление выражается в единицах с добавлением буквы «d»; Этот тип измерения полезен при рассмотрении характеристик уплотнения или того, будет ли клапан открываться или закрываться.

В настоящее время или ранее популярные единицы давления включают следующее:

• атмосфера (атм)
• манометрические единицы:
  • сантиметр, дюйм, миллиметр (торр) и микрометр (мТорр, микрон) ртутного столба,
  • высота эквивалентного столба воды, включая миллиметр (мм H
    ₂O ), сантиметр (см H
    ₂O ), метр, дюйм и фут водяного столба;
• имперские и обычные единицы:
  • кип , короткая тонна-сила , длинная тонна-сила , фунт-сила , унция-сила и фунт на квадратный дюйм,
  • короткая тонна сила и большая тонна сила на квадратный дюйм,
  • fsw (футы морской воды), используемые при подводном плавании, особенно в связи с погружением под давлением и декомпрессией ;
• метрические единицы, не относящиеся к системе СИ:
  • бар , децибар, миллибар ,
    • MSW (метры морской воды), используемые при подводном плавании, особенно в связи с погружением под давлением и декомпрессией ,
  • килограмм-сила или килопонд на квадратный сантиметр ( техническая атмосфера ),
  • грамм-сила и тонна-сила (метрическая тонна-сила) на квадратный сантиметр,
  • барье ( дин на квадратный сантиметр),
  • килограмм-сила и тонна-сила на квадратный метр,
  • стене на квадратный метр ( пьезо ).

Примеры [ править ]

В качестве примера меняющегося давления можно прижать палец к стене, не оставив неизгладимого впечатления; Однако, тот же самый палец толкая Чертежный может легко повредить стену. Хотя сила, прикладываемая к поверхности, одинакова, при помощи кнопки нажимается большее давление, поскольку острие концентрирует эту силу на меньшей площади. Давление передается на твердые границы или через произвольные участки жидкости нормально к этим границам или участкам в каждой точке. В отличие от напряжения , давление определяется как скалярная величина . Отрицательный градиент давления называется плотностью силы .

Другой пример - нож. Если мы попытаемся разрезать плоской кромкой, сила будет распределяться по большей площади поверхности, что приведет к меньшему давлению, и резка не будет. В то время как использование острого края с меньшей площадью поверхности приводит к большему давлению, поэтому нож режет плавно. Это один из примеров практического применения давления.

Для газов давление иногда измеряется не как абсолютное давление , а относительно атмосферного давления ; такие измерения называются манометрическим давлением . Примером этого является давление воздуха в автомобильной шине , которое можно назвать «220  кПа (32 фунта на квадратный дюйм)», но на самом деле оно на 220 кПа (32 фунта на квадратный дюйм) выше атмосферного давления. Поскольку атмосферное давление на уровне моря составляет около 100 кПа (14,7 фунта на квадратный дюйм), абсолютное давление в шине составляет около 320 кПа (46 фунтов на квадратный дюйм). В технических работах это пишется «манометрическое давление 220 кПа (32 фунта на квадратный дюйм)». Если место ограничено, например, на манометрах , заводских табличках, метки графиков и заголовки таблиц, допускается использование модификатора в круглых скобках, например «кПа (манометрический)» или «кПа (абсолютный)». В технических работах, не относящихся к системе СИ , манометрическое давление 32 фунта на квадратный дюйм (220 кПа) иногда записывается как «32 фунта на квадратный дюйм», а абсолютное давление - как «32 фунта на квадратный дюйм», хотя другие методы, описанные выше, избегают присоединения символов к единице измерения давление предпочтительнее. ^[7]

Избыточное давление является актуальной мерой давления везде, где интересуют нагрузки на резервуары для хранения и водопроводные компоненты жидкостных систем. Однако всякий раз, когда необходимо рассчитать свойства уравнения состояния, такие как плотности или изменения плотностей, давления должны быть выражены в терминах их абсолютных значений. Например, если атмосферное давление составляет 100 кПа (15 фунтов на квадратный дюйм), газ (например, гелий) при 200 кПа (29 фунтов на квадратный дюйм) (манометрический) (300 кПа или 44 фунта на квадратный дюйм [абсолютный]) на 50% плотнее, чем тот же газ. при 100 кПа (15 фунтов на квадратный дюйм) (манометрическое) (200 кПа или 29 фунтов на квадратный дюйм [абсолютное]). Ориентируясь на калибровочные значения, можно ошибочно заключить, что первый образец имел вдвое большую плотность, чем второй.

Скалярная природа [ править ]

В статическом газе кажется, что газ в целом не движется. Однако отдельные молекулы газа находятся в постоянном беспорядочном движении.. Поскольку мы имеем дело с чрезвычайно большим количеством молекул и поскольку движение отдельных молекул является случайным во всех направлениях, мы не обнаруживаем никакого движения. Если мы помещаем газ в контейнер, мы обнаруживаем давление в газе от молекул, сталкивающихся со стенками нашего контейнера. Мы можем поместить стенки нашего контейнера в любом месте внутри газа, и сила на единицу площади (давление) будет такой же. Мы можем уменьшить размер нашего «контейнера» до очень маленькой точки (становясь менее верным по мере приближения к атомному масштабу), и давление все равно будет иметь единственное значение в этой точке. Следовательно, давление - это скалярная величина, а не векторная величина. У него есть величина, но с ним не связано чувство направления. Сила давления действует во всех направлениях в точке внутри газа. На поверхности газа,сила давления действует перпендикулярно (под прямым углом) к поверхности.

Тесно связанной величиной является тензор напряжений σ , который связывает векторную силу с векторной площадью посредством линейной зависимости .${\displaystyle \mathbf {F} }$ ${\displaystyle \mathbf {A} }$${\displaystyle \mathbf {F} =\sigma \mathbf {A} }$

Этот тензор может быть выражен как сумма тензора вязких напряжений за вычетом гидростатического давления. Отрицательное значение тензора напряжений иногда называют тензором давления, но далее термин «давление» будет относиться только к скалярному давлению.

Согласно общей теории относительности , давление увеличивает силу гравитационного поля (см. Тензор энергии-импульса ) и, таким образом, увеличивает массу-энергию, причину гравитации . Этот эффект незаметен при повседневном давлении, но существенен для нейтронных звезд , хотя экспериментально не проверялся. ^[8]

Типы [ править ]

Давление жидкости [ править ]

Давление жидкости чаще всего представляет собой сжимающее напряжение в некоторой точке жидкости . (Термин « жидкость» относится как к жидкостям, так и к газам - более подробную информацию о давлении жидкости см. В разделе ниже .)

Давление жидкости возникает в одной из двух ситуаций:

1. Открытое состояние, называемое «поток в открытом канале», например, океан, бассейн или атмосфера.
2. Закрытое состояние, называемое «закрытым трубопроводом», например водопровод или газопровод.

Давление в открытых условиях обычно можно приблизительно представить как давление в «статических» или неподвижных условиях (даже в океане, где есть волны и течения), потому что движения создают лишь незначительные изменения давления. Такие условия соответствуют принципам статики жидкости . Давление в любой данной точке неподвижной (статической) жидкости называется гидростатическим давлением .

Замкнутые тела жидкости либо «статичны», когда жидкость не движется, либо «динамичны», когда жидкость может двигаться как в трубе, так и за счет сжатия воздушного зазора в закрытом контейнере. Давление в закрытых условиях соответствует принципам гидродинамики .

Представления о давлении жидкости преимущественно приписываются открытиям Блеза Паскаля и Даниэля Бернулли . Уравнение Бернулли можно использовать практически в любой ситуации для определения давления в любой точке жидкости. Уравнение делает некоторые предположения о жидкости, например, что жидкость идеальна ^[9] и несжимаема. ^[9] Идеальная жидкость - это жидкость, в которой нет трения, она невязкая ^[9] (нулевая вязкость ). ^[9] Уравнение для всех точек системы, заполненной жидкостью постоянной плотности, имеет вид ^[10]

${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+{\frac {v^{2}}{2g}}+z=\mathrm {const} ,}$

куда:

p = давление жидкости,

${\displaystyle {\gamma }}$= ρg = плотность · ускорение свободного падения = удельный вес жидкости, ^[9]

v = скорость жидкости,

g = ускорение свободного падения ,

z = высота,

${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}}$ = напор,

${\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}$ = скоростной напор.

Приложения [ править ]

• Гидравлические тормоза
• Артезианская скважина
• Артериальное давление
• Гидравлическая головка
• Набухание растительных клеток
• Чаша пифагора

Давление взрыва или дефлаграции [ править ]

Взрывоопасное или дефлаграционное давление возникает в результате воспламенения взрывоопасных газов , тумана, пылевоздушной взвеси в неограниченных и замкнутых пространствах.

Отрицательное давление [ править ]

Хотя давление в целом является положительным, существует несколько ситуаций, в которых может возникнуть отрицательное давление:

• При работе с относительными (манометрическими) давлениями. Например, абсолютное давление 80 кПа может быть описано как манометрическое давление -21 кПа (то есть на 21 кПа ниже атмосферного давления 101 кПа).
• Отрицательное абсолютное давление фактически является растяжением , и как сыпучие, так и сыпучие жидкости могут подвергаться отрицательному абсолютному давлению, натягивая их. ^[11] Микроскопически молекулы в твердых телах и жидкостях обладают притягивающими взаимодействиями, которые превосходят тепловую кинетическую энергию, поэтому некоторое напряжение может сохраняться. Однако термодинамически сыпучий материал под отрицательным давлением находится в метастабильном состоянии, и он особенно хрупок в случае жидкостей, где состояние отрицательного давления похоже на перегрев и легко подвержено кавитации . ^[12] В определенных ситуациях кавитации можно избежать и отрицательное давление будет поддерживаться бесконечно, ^[12] например, жидкая ртуть может выдерживать до −425 атм в чистой стеклянной таре. ^[13] Считается, что отрицательное давление жидкости связано с подъемом сока у растений высотой более 10 м ( напор воды при атмосферном давлении ). ^[14]
• Эффект Казимира может создавать небольшую силу притяжения из-за взаимодействия с энергией вакуума ; эту силу иногда называют «вакуумным давлением» (не путать с отрицательным манометрическим давлением вакуума).
• Для неизотропных напряжений в твердых телах, в зависимости от выбранной ориентации поверхности, одно и то же распределение сил может иметь компонент положительного давления вдоль нормали к одной поверхности , а компонент отрицательного давления действует вдоль нормали к другой поверхности.
  • Напряжения в электромагнитном поле обычно неизотропны, при этом давление, перпендикулярное одному элементу поверхности ( нормальное напряжение ), является отрицательным, и положительным для элементов поверхности, перпендикулярных ему.
• В космологической постоянной .

Давление застоя [ править ]

Давление застоя - это давление, которое оказывает жидкость, когда она вынуждена прекратить движение. Следовательно, хотя жидкость, движущаяся с более высокой скоростью, будет иметь более низкое статическое давление , она может иметь более высокое давление торможения, когда она вынуждена остановиться. Статическое давление и давление торможения связаны между собой:

${\displaystyle p_{0}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p}$

куда

${\displaystyle p_{0}}$это давление торможения ,

${\displaystyle \rho }$ это плотность,

${\displaystyle v}$ - скорость потока,

${\displaystyle p}$ статическое давление.

Давление движущейся жидкости можно измерить с помощью трубки Пито или одной из ее разновидностей, например зонда Киля или зонда Кобра , подключенного к манометру . В зависимости от того, где на зонде расположены входные отверстия, он может измерять статическое давление или давление торможения.

Поверхностное давление и поверхностное натяжение [ править ]

Существует двумерный аналог давления - поперечная сила на единицу длины, приложенная к линии, перпендикулярной силе.

Поверхностное давление обозначается π:

${\displaystyle \pi ={\frac {F}{l}}}$

и имеет много схожих свойств с трехмерным давлением. Свойства химических веществ на поверхности можно исследовать путем измерения изотерм давление / площадь, как двумерного аналога закона Бойля , πA = k , при постоянной температуре.

Поверхностное натяжение - еще один пример поверхностного давления, но с обратным знаком, потому что «натяжение» противоположно «давлению».

Давление идеального газа [ править ]

В идеальном газе молекулы не имеют объема и не взаимодействуют. Согласно закону идеального газа , давление изменяется линейно с температурой и количеством и обратно пропорционально объему:

${\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}$

куда:

p - абсолютное давление газа,

n - количество вещества ,

T - абсолютная температура,

V - объем,

R - постоянная идеального газа .

Реальные газы демонстрируют более сложную зависимость от переменных состояния. ^[15]

Давление пара [ править ]

Давление пара - это давление пара в термодинамическом равновесии с его конденсированными фазами в замкнутой системе. Все жидкости и твердые вещества имеют тенденцию испаряться в газообразную форму, и все газы имеют тенденцию конденсироваться обратно в жидкую или твердую форму.

Точка кипения жидкости при атмосферном давлении (также известная как нормальная точка кипения ) - это температура, при которой давление пара равно атмосферному давлению окружающей среды. При любом постепенном повышении этой температуры давление пара становится достаточным для преодоления атмосферного давления и подъема жидкости с образованием пузырьков пара внутри массы вещества. Для образования пузырьков на большей глубине в жидкости требуется более высокое давление и, следовательно, более высокая температура, потому что давление жидкости увеличивается выше атмосферного по мере увеличения глубины.

Давление пара, которое отдельный компонент смеси вносит в общее давление в системе, называется парциальным давлением пара .

Давление жидкости [ править ]

Когда человек плавает под водой, ощущается давление воды, действующее на его барабанные перепонки. Чем глубже этот человек плывет, тем больше давление. Ощущаемое давление возникает из-за веса воды над человеком. Чем глубже кто-то плавает, тем больше воды над человеком и, следовательно, увеличивается давление. Давление, которое оказывает жидкость, зависит от ее глубины.

Давление жидкости также зависит от плотности жидкости. Если бы кто-то был погружен в жидкость более плотную, чем вода, давление было бы соответственно больше. Таким образом, можно сказать, что глубина, плотность и давление жидкости прямо пропорциональны. Давление, создаваемое жидкостью в жидких столбах постоянной плотности или на глубине внутри вещества, выражается следующей формулой:

${\displaystyle p=\rho gh,}$

куда:

p - давление жидкости,

g - сила тяжести на поверхности перекрывающего материала,

ρ - плотность жидкости,

h - высота столба жидкости или глубина внутри вещества.

Другой способ выразить ту же формулу:

${\displaystyle p={\text{weight density}}\times {\text{depth}}.}$

Давление, которое жидкость оказывает на стенки и дно емкости, зависит от плотности и глубины жидкости. Если пренебречь атмосферным давлением, давление жидкости на дно будет вдвое больше на двойной глубине; на трехкратной глубине давление жидкости увеличивается в три раза; и т.д. Или, если жидкость в два или три раза плотнее, давление жидкости соответственно в два или три раза больше для любой данной глубины. Жидкости практически несжимаемы, то есть их объем практически не может быть изменен давлением (объем воды уменьшается всего на 50 миллионных от первоначального объема при каждом повышении атмосферного давления). Таким образом, за исключением небольших изменений, вызванных температурой, плотность конкретной жидкости практически одинакова на всех глубинах.

Атмосферное давление, оказываемое на поверхность жидкости, необходимо принимать во внимание при попытке определить полное давление, действующее на жидкость. Таким образом, полное давление жидкости равно ρgh плюс давление атмосферы. Когда это различие важно, используется термин полное давление . В противном случае обсуждение давления жидкости относится к давлению без учета обычно постоянно присутствующего атмосферного давления.

Давление не зависит от количества жидкости. Объем не имеет значения, важна глубина. Среднее давление воды, действующее на плотину, зависит от средней глубины воды, а не от объема удерживаемой воды. Например, широкое, но мелкое озеро глубиной 3 м (10 футов) оказывает только половину среднего давления, чем небольшой пруд глубиной 6 м (20 футов). ( Общая силаприменяется к более длинной дамбе, будет больше из-за большей общей площади поверхности, на которую действует давление. Но для данного участка каждой плотины шириной 5 футов (1,5 м) вода глубиной 10 футов (3,0 м) приложит одну четверть силы глубины 20 футов (6,1 м). Человек будет чувствовать одинаковое давление независимо от того, окунут ли его голову на метр ниже поверхности воды в небольшом бассейне или на такую ​​же глубину посреди большого озера. Если четыре вазы содержат разное количество воды, но все они заполнены на одинаковую глубину, то рыба, голова которой погружена на несколько сантиметров под поверхность, будет подвергаться воздействию давления воды, которое будет одинаковым в любой из ваз. Если рыба проплывет на несколько сантиметров глубже, давление на рыбу будет увеличиваться с глубиной и будет одинаковым независимо от того, в какой вазе находится рыба. Если рыба плывет на дно,давление будет больше, но не имеет значения, в какой вазе она находится. Все вазы заполнены на одинаковую глубину, поэтому давление воды на дно каждой вазы одинаковое, независимо от ее формы или объема. Если бы давление воды на дне вазы было больше, чем давление воды на дне соседней вазы, большее давление вытеснило бы воду вбок, а затем подняло бы более узкую вазу на более высокий уровень, пока давление внизу не сравнялось бы. Давление зависит от глубины, а не от объема, поэтому вода не зря ищет свой уровень.Если бы давление воды на дне вазы было больше, чем давление воды на дне соседней вазы, большее давление вытеснило бы воду вбок, а затем подняло бы более узкую вазу на более высокий уровень, пока давление внизу не сравнялось бы. Давление зависит от глубины, а не от объема, поэтому вода не зря ищет свой уровень.Если бы давление воды на дне вазы было больше, чем давление воды на дне соседней вазы, большее давление вытеснило бы воду вбок, а затем подняло бы более узкую вазу на более высокий уровень, пока давление внизу не сравнялось бы. Давление зависит от глубины, а не от объема, поэтому вода не зря ищет свой уровень.

Если выразить это как уравнение энергии, то энергия на единицу объема в идеальной несжимаемой жидкости постоянна во всем ее сосуде. На поверхности гравитационная потенциальная энергия велика, но энергия давления жидкости низкая. На дне сосуда вся потенциальная гравитационная энергия преобразуется в энергию давления. Сумма энергии давления и гравитационной потенциальной энергии на единицу объема постоянна во всем объеме жидкости, и два энергетических компонента изменяются линейно с глубиной. ^[16] Математически это описывается уравнением Бернулли , где скоростной напор равен нулю, а сравнения на единицу объема в сосуде

${\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}+z=\mathrm {const} .}$

Термины имеют то же значение, что и в разделе Давление жидкости .

Направление давления жидкости [ править ]

Экспериментально установленный факт о давлении жидкости состоит в том, что оно действует одинаково во всех направлениях. ^[17] Если кто-то погружается в воду, независимо от того, как этот человек наклоняет голову, человек будет чувствовать такое же давление воды на свои уши. Поскольку жидкость может течь, это давление не только направлено вниз. Видно, что давление действует вбок, когда вода брызгает вбок из утечки в стенке вертикальной банки. Давление также действует вверх, что демонстрируется, когда кто-то пытается протолкнуть пляжный мяч под поверхность воды. Дно лодки подталкивается вверх давлением воды ( плавучесть ).

Когда жидкость давит на поверхность, возникает результирующая сила, перпендикулярная поверхности. Хотя давление не имеет определенного направления, сила имеет. В погруженном в воду треугольном блоке вода прижимается к каждой точке со многих направлений, но компоненты силы, которые не перпендикулярны поверхности, компенсируют друг друга, оставляя только чистую перпендикулярную точку. ^[17]Вот почему вода, бьющая из отверстия в ведре, первоначально выходит из ведра в направлении, перпендикулярном поверхности ведра, в котором находится отверстие. Затем он изгибается вниз под действием силы тяжести. Если в ковше три отверстия (верхнее, нижнее и среднее), то векторы силы, перпендикулярные внутренней поверхности емкости, будут увеличиваться с увеличением глубины - то есть большее давление внизу заставляет это делать так, что нижнее отверстие будет стрелять водой дальше всех. Сила, прилагаемая жидкостью к гладкой поверхности, всегда направлена ​​под прямым углом к ​​поверхности. Скорость выхода жидкости из отверстия равна , где h - глубина ниже свободной поверхности. ^[17] Это та же скорость, что и вода (или что-либо еще), если бы она свободно падала на такое же расстояние по вертикали.${\displaystyle \scriptstyle {\sqrt {2gh}}}$ч .

Кинематическое давление [ править ]

${\displaystyle P=p/\rho _{0}}$

- кинематическое давление, где - давление и постоянная массовая плотность. Единица измерения P в системе СИ - м ² / с ² . Кинематическое давление используется таким же образом, как и кинематическая вязкость , для вычисления уравнения Навье – Стокса без явного указания плотности .${\displaystyle p}$${\displaystyle \rho _{0}}$ ${\displaystyle \nu }$${\displaystyle \rho _{0}}$

Уравнение Навье – Стокса с кинематическими величинами.

${\displaystyle {\frac {\partial u}{\partial t}}+(u\nabla )u=-\nabla P+\nu \nabla ^{2}u.}$

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Введение в статику и динамику жидкостей в Project PHYSNET
• Давление как скалярная величина
• wikiUnits.org - Преобразование единиц давления