Ciśnienie w fizyce. Definicja i wzór na obliczanie

Ciśnienie jest wielkością skalarną określaną jako dana siła skoncentrowana na powierzchni. Definicja brzmi: ciśnienie jest to stosunek siły działającej na określoną powierzchnię do wartości tej powierzchni.

Podstawową jednostką ciśnienia jest Pascal [Pa]. Można podawać je w milimetrach słupa wody, rtęci, barach lub jednostkach brytyjskich (funt na cal).

Uogólnieniem pojęcia ciśnienia jest naprężenie. Do pomiarów ciśnienia wykorzystywany jest między innymi barometr i manometr, może być jednak mierzone także innymi przyrządami. Np. mierząc ciśnienie atmosferyczne podajemy je w hPa [hekto Pascal], taką jednostkę zwykle słyszymy oglądając prognozę pogody.

1 hPa to 100 Pa. Fizycznym odnośnikiem jest ciśnienie normalne, wynoszące około 1013, 25 hPa. Do pomiarów ciśnienia atmosferycznego wykorzystujemy barometr lub barograf.

Jeśli ciśnienie gazu jest dużo niższe niż ciśnienie atmosferyczne, mamy do czynienia z próżnią. Próżnię możemy wróżnić niską, średnią (od 10-2 Pa do 10-5 Pa) i wysoką o ciśnieniu pow. 10-5 Pa.

Ciśnienie jako wielkość skalarna informuje nas, jak bardzo działająca siła jest skupiona na powierzchni. Przykładem może być igła, która działając swoim ostrym zakończeniem na małą powierzchnię, wytwarza duże ciśnienie, dzięki czemu łatwo dziurawi powierzchnię.

Innym przykładem będą narty, które rozkładając ciężar ciała człowieka na dużą powierzchnię sprawiają, że nie zapada się on w śniegu. W tym przypadku ciśnienie jest specjalnie zmniejszane.

Ciśnienie określa się wzorem:

p = FS

gdzie:

p - ciśnienie [Pa]; F - siła działająca prostopadle na powierzchnię S [N]; S - pole powierzchni, na jaką działa siła F [m²].

W przypadku gazów w stanie ustalonym w spoczynku, ciśnienie, jakie gaz wywiera na ścianki naczynia, jest funkcją objętości, temperatury i masy. Stąd też w termodynamice traktowane jest jako parametr stanu.

Jeśli ciśnienie jest określone względem próżni, nazywamy je bezwzględnym lub absolutnym. Jeśli jest natomiast określone względem otoczenia - nadciśnienie (lub inaczej względne, jednak jest to określenie dwuznaczne).

Powszechnie w technice mierzone i podawane jest ciśnienie płynów względem ciśnienia atmosferycznego. W tym znaczeniu nadciśnienie określane jest jako ciśnienie manometryczne.

Można to zrozumieć na poniższym przykładzie: jeśli ciśnienie w pojemniku wynosi 0,3 MPa (nadciśnienie), to ciśnienie absolutne wynosi 0,3 MPa + 0,1 MPa (0,1 Mpa jest ciśnieniem atmosferycznym).

W czasach przed upowszechnieniem układu SI ciśnienie manometryczne zaznaczane było przez dodanie litery n po symbolu wymiaru ciśnienia. Ciśnienie bezwzględne zaś zaznaczane było poprzez dodanie litery a - w poprzednim przykładzie ciśnienie byłoby podane jako 3 atn lub 4 ata (przy przybliżeniu 0,1 MPa = 1 at).

Jednostką spotykaną w technice jest barg. Oznacza on bar ciśnienia względnego.