Tlak

Tlak Kapalinyedit

tlak kapaliny je nejčastěji tlakovým napětím v určitém bodě uvnitř tekutiny. (Termín tekutina se vztahuje jak na kapaliny – tak na plyny-pro více informací konkrétně o tlaku kapaliny viz část níže.)

tlak kapaliny se vyskytuje v jedné ze dvou situací:

1. otevřený stav, nazvaný “tok otevřeného kanálu”, např. oceán, bazén nebo atmosféra.
2. uzavřený stav, nazývaný “uzavřené potrubí”, např. vodovodní potrubí nebo plynové potrubí.

tlak v otevřených podmínkách lze obvykle aproximovat jako tlak v “statických” nebo nepohyblivých podmínkách (dokonce i v oceánu, kde jsou vlny a proudy), protože pohyby vytvářejí pouze zanedbatelné změny tlaku. Tyto podmínky odpovídají principům statiky tekutin. Tlak v daném bodě nepohyblivé (statické) tekutiny se nazývá hydrostatický tlak.

Uzavřená tělesa tekutiny jsou buď “statická”, když se tekutina nepohybuje, nebo” dynamická”, když se tekutina může pohybovat jako v potrubí nebo stlačením vzduchové mezery v uzavřené nádobě. Tlak v uzavřených podmínkách odpovídá zásadám dynamiky tekutin.

pojmy tlaku tekutiny jsou převážně připisovány objevům Blaise Pascala a Daniela Bernoulliho. Bernoulliho rovnice může být použita téměř v každé situaci k určení tlaku v jakémkoli bodě tekutiny. Rovnice dělá některé předpoklady o tekutině, například tekutina je ideální a nestlačitelná. Ideální tekutina je tekutina, ve které nedochází k tření ,je neviditelná(nulová viskozita). Rovnice pro všechny body systému naplněné tekutinou s konstantní hustotou je

p γ + v 2 2 g + z = c o n s t, {\displaystyle {\frac {p} {\gamma}} +{\frac {v^{2}}{2g}}+z=\mathrm {const} ,}

kde:

p, tlak tekutiny, γ {\displaystyle {\gamma }}

= PG, hustota × gravitační zrychlení je (objemově) měrná hmotnost tekutiny, v, rychlost tekutiny, g, gravitační zrychlení, z, elevace, p γ {\displaystyle {\frac {p}{\gamma }}}

, tlaková hlava, v 2 2 g {\displaystyle {\frac {v^{2}}{2g}}}

, velocity head.

Aplikaceedit

• hydraulické brzdy
• Artéská studna
• krevní tlak
• Hydraulická hlava
• turgidita rostlinných buněk
• Pythagorův pohár

výbuch nebo deflagrační tlakyedit

exploze nebo deflagrační tlaky jsou výsledkem vznícení výbušné plyny, mlhy, prach/vzduch suspenze, v neomezených a uzavřených prostorech.

negativní tlakyeditovat

zatímco tlaky jsou, obecně, pozitivní, existuje několik situací, kdy se mohou vyskytnout negativní tlaky:

• při jednání v relativních (měřidlo) tlaky. Například absolutní tlak 80 kPa může být popsán jako tlakoměr -21 kPa (tj. 21 kPa pod atmosférickým tlakem 101 kPa). Například abdominální dekomprese je porodnický postup, během kterého je negativní tlak měřidla aplikován přerušovaně na břicho těhotné ženy.
• jsou možné záporné absolutní tlaky. Jsou účinně napětí, a jak sypké pevné látky a sypké kapaliny mohou být uvedeny pod negativním absolutním tlakem tahem na ně. Mikroskopicky mají molekuly v pevných látkách a kapalinách atraktivní interakce, které přemáhají tepelnou kinetickou energii, takže lze udržet určité napětí. Termodynamicky je však sypký materiál pod podtlakem v metastabilním stavu a je zvláště křehký v případě kapalin, kde je stav podtlaku podobný přehřátí a je snadno náchylný k kavitaci. V určitých situacích se lze vyhnout kavitaci a negativním tlakům udržovaným donekonečna, například byla pozorována kapalná rtuť, která udržuje až -425 atm v čistých skleněných nádobách. Předpokládá se, že záporné tlaky kapaliny se podílejí na výstupu mízy v rostlinách vyšších než 10 m (atmosférický tlak vody).
• Casimirův efekt může vytvořit malou přitažlivou sílu v důsledku interakcí s vakuovou energií; tato síla se někdy nazývá “vakuový tlak” (nezaměňovat se s podtlakem podtlaku vakua).
• pro neizotropní napětí v tuhých tělesech může mít v závislosti na tom, jak je zvolena orientace povrchu, stejné rozložení sil složku přetlaku podél jedné plochy normální, přičemž složka podtlaku působí podél jiné plochy normální.
  • napětí v elektromagnetickém poli jsou obecně neizotropní, přičemž tlak normální na jeden Povrchový prvek (normální napětí) je negativní a pozitivní pro povrchové prvky kolmé na toto.
• v kosmologii vytváří temná energie velmi malé, ale kosmicky významné množství podtlaku, který urychluje expanzi vesmíru.

stagnační tlakeditovat

stagnační tlak je tlak, který tekutina vyvíjí, když je nucena přestat se pohybovat. V důsledku toho, i když tekutina pohybující se vyšší rychlostí bude mít nižší statický tlak, může mít vyšší stagnační tlak, když je nucena zastavit. Statický tlak a stagnační tlak souvisí:

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

kde

p 0 {\displaystyle p_{0}}

je stagnační tlak, ρ {\displaystyle \rho }

je hustota, v {\displaystyle v}

je rychlost proudění, p {\displaystyle p}

je statický tlak.

tlak pohybující se tekutiny lze měřit pomocí Pitotovy trubice nebo jedné z jejích variací, jako je Kielova sonda nebo Cobra sonda, připojená k manometru. V závislosti na tom, kde jsou na sondě umístěny vstupní otvory, může měřit statické tlaky nebo stagnační tlaky.

povrchový tlak a povrchové napětíedit

existuje dvourozměrný analog tlaku-boční síla na jednotku délky působící na přímku kolmou na sílu.

povrchový tlak je označen π:

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

a sdílí mnoho podobných vlastností s trojrozměrným tlakem. Vlastnosti povrchových chemikálií lze zkoumat měřením tlakových / plošných izotermií, jako dvojrozměrného analogu Boyleova zákona, nA = K, při konstantní teplotě.

povrchové napětí je dalším příkladem povrchového tlaku, ale s obráceným znaménkem, protože “napětí” je opakem “tlaku”.

Tlak ideálního plynuedit

v ideálním plynu molekuly nemají žádný objem a neinteragují. Podle zákona o ideálním plynu se tlak mění lineárně s teplotou a množstvím a nepřímo s objemem:

p = n R t V, {\displaystyle p={\frac {nRT}{V}},}

kde:

p je absolutní tlak plynu, n je množství látky, T je absolutní teplota, V je objem, R je ideální plynová konstanta.

reálné plyny vykazují složitější závislost na proměnných stavu.

Tlak Paredit

tlak par je tlak par v termodynamické rovnováze s kondenzovanými fázemi v uzavřeném systému. Všechny kapaliny a pevné látky mají tendenci se odpařovat do plynné formy a všechny plyny mají tendenci kondenzovat zpět do své kapalné nebo pevné formy.

atmosférický tlak bod varu kapaliny (také známý jako normální bod varu) je teplota, při které se tlak par rovná okolnímu atmosférickému tlaku. S jakýmkoli přírůstkovým zvýšením této teploty, tlak par se stává dostatečným k překonání atmosférického tlaku a zvedání kapaliny za vzniku bublin par uvnitř převážné části látky. Tvorba bublin hlouběji v kapalině vyžaduje vyšší tlak, a tedy vyšší teplotu, protože tlak kapaliny se zvyšuje nad atmosférický tlak se zvyšující se hloubkou.

tlak par, který jedna složka ve směsi přispívá k celkovému tlaku v systému, se nazývá parciální tlak par.

Liquid pressureEdit

když člověk plave pod vodou, je cítit tlak vody působící na ušní bubínky osoby. Čím hlouběji člověk plave, tím větší je tlak. Tlaková plst je způsobena hmotností vody nad osobou. Jak někdo plave hlouběji, je nad člověkem více vody, a proto větší tlak. Tlak, který kapalina vyvíjí, závisí na její hloubce.

tlak kapaliny také závisí na hustotě kapaliny. Pokud by byl někdo ponořen do kapaliny hustší než voda, tlak by byl odpovídajícím způsobem větší. Můžeme tedy říci, že hloubka, hustota a tlak kapaliny jsou přímo úměrné. Tlak způsobený kapalinou v kapalných sloupcích s konstantní hustotou nebo v hloubce uvnitř látky je reprezentován následujícím vzorcem:

p = ρ g h, {\displaystyle p=\rho gh,}

kde:

p je tlak kapaliny, g je gravitace na povrchu překrývajícího se materiálu, ρ je hustota kapaliny, h je výška sloupce kapaliny nebo hloubka uvnitř látky.

jiný způsob, jak říci stejný vzorec, je následující:

p = hustota hmotnosti × hloubka . {\displaystyle p={\text{weight density}}\times {\text{depth}}.}

odvození této rovnice

Toto je odvozeno z definic hustoty tlaku a hmotnosti. Zvažte oblast na dně nádoby s kapalinou. Hmotnost sloupce kapaliny přímo nad touto oblastí vytváří tlak. Z definice hmotnost hustota = hmotnost objem {\displaystyle {\text{hmotnost hustota}}={\frac {\text{hmotnost}}{\text{objem}}}}

tuto hmotnost kapaliny můžeme vyjádřit jako

hmotnost = hustota hmotnosti × objem, {\displaystyle {\text{hmotnost}}={\text{hustota hmotnosti}}\krát {\text{objem}},}

kde objem sloupce je jednoduše Plocha vynásobená hloubkou. Pak máme

pressure = force area = Weight area = Weight density × volume area, {\displaystyle {\text{pressure}}={\frac {\text{force}} {\text{area}} = {\frac {\text{weight}}{\text{area}} = {\frac {{\text{weight}}}\times {\text{volume}}} {\text{area}}},}

tlak = hmotnost hustota × (plocha × hloubka) Plocha . {\displaystyle {\text{pressure}}={\frac {{\text{weight density}}\times {\text {(area}}\times {\text{depth)}}} {\text{area}}}.}

když se “plocha” v čitateli a” plocha ” ve jmenovateli navzájem ruší, zůstane nám

tlak = hustota hmotnosti × hloubka . {\displaystyle {\text{pressure}}={\text{weight density}}\times {\text{depth}}.}

psáno se symboly, toto je naše původní rovnice:

p = ρ g h . {\displaystyle p=\rho gh.}

tlak, který kapalina vyvíjí na boky a dno nádoby, závisí na hustotě a hloubce kapaliny. Pokud je atmosférický tlak zanedbán, tlak kapaliny proti dnu je dvakrát větší ve dvojnásobné hloubce; ve trojnásobku hloubky je tlak kapaliny trojnásobný; atd. Nebo, pokud je kapalina dvakrát nebo třikrát hustší, tlak kapaliny je odpovídajícím způsobem dvakrát nebo třikrát větší pro danou hloubku. Kapaliny jsou prakticky nestlačitelné-to znamená, že jejich objem lze jen stěží měnit tlakem (objem vody klesá pouze o 50 miliontin původního objemu pro každé atmosférické zvýšení tlaku). Takže s výjimkou malých změn způsobených teplotou je hustota určité kapaliny prakticky stejná ve všech hloubkách.

při pokusu o zjištění celkového tlaku působícího na kapalinu je třeba vzít v úvahu atmosférický tlak působící na povrch kapaliny. Celkový tlak kapaliny, pak, je pgh plus tlak atmosféry. Pokud je toto rozlišení důležité, používá se termín celkový tlak. V opačném případě se diskuse o tlaku kapaliny týkají tlaku bez ohledu na normálně přítomný atmosférický tlak.

tlak nezávisí na množství přítomné kapaliny. Objem není důležitým faktorem-hloubka je. Průměrný tlak vody působící proti přehradě závisí na průměrné hloubce vody a nikoli na objemu zadržované vody. Například široké, ale mělké jezero s hloubkou 3 m (10 ft) vyvíjí pouze polovinu průměrného tlaku, který dělá malý 6 m (20 ft) hluboký rybník. (Celková síla působící na delší přehradu bude větší, vzhledem k větší celkové ploše povrchu pro tlak působit. Ale pro daný 5-noha (1.5 m) – široký úsek každé přehrady, 10 ft (3.0 m) hluboká voda použije jednu čtvrtinu síly 20 ft (6.1 m) hluboká voda). Člověk pocítí stejný tlak, ať už je jeho hlava ponořena metr pod hladinu vody v malém bazénu nebo do stejné hloubky uprostřed velkého jezera. Pokud čtyři vázy obsahují různé množství vody, ale všechny jsou naplněny do stejné hloubky, pak ryba s hlavou namočenou několik centimetrů pod hladinou bude působit tlakem vody, který je stejný v kterékoli z váz. Pokud ryba plave o několik centimetrů hlouběji, tlak na ryby se bude zvyšovat s hloubkou a bude stejný bez ohledu na to, ve které váze je ryba. Pokud ryba plave na dno, tlak bude větší,ale nezáleží na tom, v jaké váze je. Všechny vázy jsou naplněny do stejné hloubky, takže tlak vody je stejný na dně každé vázy, bez ohledu na její tvar nebo objem. Pokud by tlak vody na dně vázy byl větší než tlak vody na dně sousední vázy, větší tlak by nutil vodu do strany a poté nahoru po užší váze na vyšší úroveň, dokud by nebyly vyrovnány tlaky na dně. Tlak je závislý na hloubce, není závislý na objemu, takže existuje důvod, proč voda hledá svou vlastní úroveň.

při přepočtu na energetickou rovnici je energie na jednotku objemu v ideální nestlačitelné kapalině konstantní v celé její nádobě. Na povrchu je gravitační potenciální energie velká, ale energie tlaku kapaliny je nízká. Na dně nádoby je veškerá gravitační potenciální energie přeměněna na tlakovou energii. Součet tlakové energie a gravitační potenciální energie na jednotku objemu je konstantní v celém objemu tekutiny a obě energetické složky se lineárně mění s hloubkou. Matematicky je popsána Bernoulliho rovnicí, kde rychlost hlavy je nula a srovnání na jednotku objemu v nádobě je

p γ + z = c o n s t . {\displaystyle {\frac {p} {\gamma }}+z=\mathrm {const}.}

termíny mají stejný význam jako v sekci tlak kapaliny.

směr tlaku kapalinyedit

experimentálně stanoveným faktem o tlaku kapaliny je, že je vyvíjen rovnoměrně ve všech směrech. Pokud je někdo ponořen do vody, bez ohledu na to, jakým způsobem tato osoba nakloní hlavu, bude cítit stejné množství tlaku vody na uších. Protože kapalina může proudit, tento tlak není jen dolů. Tlak je vidět, jak působí bokem, když voda stříká bokem z úniku na straně vzpřímené plechovky. Tlak také působí vzhůru, jak se ukázalo, když se někdo snaží tlačit plážový míč pod hladinu vody. Dno lodi je tlačeno nahoru tlakem vody (vztlak).

když kapalina tlačí na povrch, existuje čistá síla, která je kolmá k povrchu. I když tlak nemá konkrétní směr, síla Ano. Ponořený trojúhelníkový blok má vodu tlačenou proti každému bodu z mnoha směrů, ale složky síly, které nejsou kolmé k povrchu, se navzájem ruší, ponechává pouze čistý kolmý bod. To je důvod, proč voda proudící z otvoru v kbelíku zpočátku opouští kbelík ve směru v pravém úhlu k povrchu kbelíku, ve kterém je otvor umístěn. Pak se zakřivuje dolů kvůli gravitaci. Pokud jsou v kbelíku tři otvory (horní, dolní a střední), pak se silové vektory kolmé na vnitřní povrch nádoby zvýší se zvyšující se hloubkou-to znamená, že větší tlak na dně způsobí, že spodní otvor bude střílet vodu nejdále. Síla vyvíjená tekutinou na hladký povrch je vždy v pravém úhlu k povrchu. Rychlost kapaliny z otvoru je 2 g h {\displaystyle \ scriptstyle {\sqrt {2gh}}}

, kde h je hloubka pod volným povrchem. To je stejná rychlost, jakou by měla voda (nebo cokoli jiného), kdyby volně klesala stejná svislá vzdálenost h.

kinematický tlakeditovat

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

je kinematický tlak, kde p {\displaystyle p}

je tlak a ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

konstantní hustota hmoty. Jednotka SI P je m2 / s2. Kinematický tlak se používá stejným způsobem jako kinematická viskozita ν {\displaystyle \ nu }

za účelem výpočtu navierovy-Stokesovy rovnice bez explicitního zobrazení hustoty ρ 0 {\displaystyle \rho _{0}}

. Navierova-Stokesova rovnice s kinematickými veličinami ∂ u t t + (u ∇ ) u = – ∇ P + ν 2 2 u . {\displaystyle {\frac {\parcial u}{\parcial t}}+(u\nabla )u= – \nabla P+ \ nu \ nabla ^{2}u.}