Paineen määritelmä, yksiköt ja esimerkit

Tieteessä paine on voiman mittaus pinta-alayksikköä kohti. SI-yksikkö paine on pascal (Pa), joka vastaa N / m² (newtonit neliömetriä kohti).

Jos sinulla olisi 1 newtoni (1 N) voimaa jakautuneena 1 neliömetriin (1 m)²), tulos on 1 N / 1 m² = 1 N / m² = 1 Pa. Tämä edellyttää, että voima on suunnattu kohtisuoraan kohti pinta-alaa.

Jos lisääisit voiman määrää, mutta kohdistit sen samalle alueelle, paine kasvaa suhteessa. 5 N voima, joka jakautuisi samalle neliömetrialueelle, olisi 5 Pa. Jos kuitenkin laajentaisit voimaa, huomaat, että paine kasvaa käänteinen suhde alueen lisääntymiseen.

Jos sinulla olisi 5 N voimaa jakautuneena 2 neliömetriin, saat 5 N / 2 m² = 2,5 N / m² = 2,5 Pa.

Baari on toinen metrinen paineyksikkö, tosin se ei ole SI-yksikkö. Se on määritelty 10000 Pa. Se on luonut vuonna 1909 brittiläinen meteorologi William Napier Shaw.

Ilmakehän paine, usein merkitty nimellä p, on maapallon ilmakehän paine. Kun seisot ilmassa, ilmakehän paine on kaiken yläpuolella ja ympärillä olevan ilman keskimääräinen voima, joka työntää vartaloosi.

Merenpinnan ilmanpaineen keskiarvo määritellään yhdeksi ilmakehäksi tai 1 atm. Koska tämä on fysikaalisen määrän keskiarvo, voimakkuus voi muuttua ajan myötä tarkemman mittauksen perusteella - menetelmät tai mahdollisesti johtuvat todellisista ympäristömuutoksista, joilla voi olla globaali vaikutus ilmapiiri.

• 1 Pa = 1 N / m²
• 1 bar = 10 000 Pa
• 1 atm ≈ 1,013 × 10⁵ Pa = 1,013 bar = 1013 millibaria

Yleinen käsite pakottaa sitä usein kohdellaan kuin se vaikuttaisi esineeseen idealisoidulla tavalla. (Tämä on oikeastaan ​​yleistä useimmissa tieteen ja etenkin fysiikan asioissa, kuten luomme ihanteelliset mallit tuoda esiin ilmiöitä, joihin tapaamme kiinnittää erityistä huomiota ja sivuuttaa niin monet muut ilmiöt kuin pystymme kohtuudella.) Tässä idealisoidussa lähestymistavassa, jos sanomme, että voima vaikuttaa esineeseen, piirrämme nuolen, joka osoittaa voiman suunnan, ja toimimme ikään kuin voima kaikki tapahtuu siinä kohdassa.

Todellisuudessa asiat eivät kuitenkaan ole koskaan aivan niin yksinkertaisia. Jos painat vipua kädelläsi, voima jakautuu todella kädellesi ja työntyy vipua vasten kyseiselle vivun alueelle. Jotta asiat olisivat vielä monimutkaisempia tässä tilanteessa, voimaa ei varmasti jaeta tasaisesti.

Täällä paine tulee peliin. Fyysikot käyttävät paineen käsitettä tunnistaakseen, että voima on jakautunut pinta-alalle.

Vaikka voimme puhua paineesta monissa yhteyksissä, yksi varhaisimmista muodoista, joissa käsite tuli keskusteluun tieteen sisällä, oli kaasujen tarkastelu ja analysointi. Hyvin ennen termodynamiikan tiede virallistettiin 1800-luvulla, todettiin, että kaasut kuumentaessaan kohdistivat voiman tai paineen niitä sisältävään esineeseen. Lämmitettyä kaasua käytettiin kuumailmapallojen levitaatioon Euroopassa 1700-luvulta alkaen, ja kiinalaiset ja muut sivilisaatiot olivat tehneet samanlaisia ​​löytöjä hyvissä ajoin ennen sitä. 1800-luvulla tapahtui myös höyrykone (paineen käyttävän kuvan mukaan), joka käyttää painetta rakennettu kattilaan mekaanisen liikkeen aikaansaamiseksi, kuten jokiveneen, junan tai tehtaan liikuttamiseen tarvittava kangaspuut.

Tämä paine sai fyysisen selityksen kaasujen kineettinen teoria, jossa tutkijat huomasivat, että jos kaasu sisälsi monenlaisia ​​hiukkasia (molekyylejä), havaittu paine voidaan edustaa fyysisesti näiden hiukkasten keskimääräisellä liikkeellä. Tämä lähestymistapa selittää, miksi paine liittyy läheisesti käsitteisiin lämpö ja lämpötila, jotka myös määritellään hiukkasten liikkeiksi kineettisen teorian avulla. Yksi erityinen termodynamiikkaa kiinnostava tapaus on isobarinen prosessi, joka on termodynaaminen reaktio, jossa paine pysyy vakiona.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine