Áp suất là gì ? Công thức tính đơn vị đo ứng dụng | Blog khí nén
Áp suất và các công thức tính áp suất
Áp suất đóng vai trò then chốt trong việc giải thích và ứng dụng các thiết bị cơ khí, thủy lực, khí nén, và các hệ thống năng lượng. Với ứng dụng rộng rãi trong các ngành như thủy lực, khí nén, và thiết bị nâng hạ công nghiệp, nguyên lý áp suất giúp chế tạo các máy móc nâng vật nặng, điều khiển dòng khí và chất lỏng, cũng như ứng dụng trong các thiết bị đời sống như nồi áp suất. Hãy cùng khám phá khái niệm và công thức tính áp suất, cũng như những ứng dụng thú vị của nó trong cuộc sống và công nghiệp.
Áp suất là gì?
Áp suất (Pressure), ký hiệu là P, là một đại lượng vật lý biểu thị lực tác động lên một diện tích bề mặt nhất định theo chiều vuông góc với bề mặt đó. Nói một cách đơn giản, áp suất chính là lực tác động lên một diện tích bề mặt.
Áp suất trong hệ đo SI được tính bằng Newton trên mét vuông (N/m²), hay còn gọi là Pascal (Pa). Tuy nhiên, trong thực tế ứng dụng, các đơn vị như bar, MPa, kg/cm² và PSI thường được sử dụng do giá trị Pa khá nhỏ, khiến chúng không thuận tiện trong nhiều tình huống thực tế.
>>Tìm hiểu chi tiết hơn về các đơn vị đo áp suất trong bài viết: Đơn vị đo áp suất phổ biến và bảng quy đổi
Đặc điểm khác nhau giữa 03 loại áp suất
Áp suất chất rắn: Áp suất trong chất rắn là lực tác động lên một bề mặt của vật rắn theo chiều vuông góc với diện tích tiếp xúc. Đặc điểm của áp suất chất rắn là lực được phân bố đều trên diện tích tiếp xúc và có thể dễ dàng tính toán.
Áp suất chất lỏng: Áp suất trong chất lỏng, hay còn gọi là áp suất thủy tĩnh, phụ thuộc vào chiều cao của cột chất lỏng và trọng lượng riêng của chất lỏng. Áp suất chất lỏng liên quan đến chiều cao của cột chất lỏng và trọng lượng riêng của chất lỏng đó. Áp suất này được truyền đều trong chất lỏng và không thay đổi theo hướng ngang.
Áp suất chất khí: Áp suất trong chất khí tuân theo các định lý khí lý tưởng và có sự liên quan mật thiết với thể tích và nhiệt độ của khí, theo các định lý như Định lý Boyle và Định lý Charles. Áp suất chất khí thay đổi theo thể tích, nhiệt độ và số lượng phân tử khí. Áp suất khí lý tưởng thường được tính theo phương trình khí lý tưởng, liên quan đến các yếu tố này.
Mỗi loại áp suất có đặc điểm riêng và ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp và khoa học.
Sự khác biệt giữa áp lực và áp suất
Áp lực là lực tác động trực tiếp lên một vật thể. Tuy nhiên, khác với áp suất, áp lực không liên quan đến diện tích tác động mà chỉ phụ thuộc vào cường độ lực.
Áp suất = Áp lực / Diện tích bề mặt. Ví dụ: Với cùng một lực tác động, nếu diện tích tiếp xúc giảm, áp suất sẽ tăng lên.
Công thức tính áp suất
1.Công thức tính áp suất chất rắn
Áp suất là lực tác động lên một diện tích bề mặt.
P = F / S
Trong đó:
P: là áp suất (đơn vị: N/m2, Pa, Bar, PSI, kg/cm2, mmHg…)
F: là áp lực tác dụng lên mặt bị ép, có đơn vị là N (Newton)
S: là diện tích tiếp xúc vuông góc, đơn vị của S là cm2, m2
Công thức cho thấy rằng áp suất là tỷ lệ giữa lực tác động và diện tích bề mặt tiếp xúc. Khi diện tích giảm, áp suất sẽ tăng lên với cùng một lực. Đây là công thức phổ biến và dễ hiểu nhất khi đề cập đến áp suất trong các tình huống cơ bản.
Ngoài công thức P=F/S, trong lĩnh vực kỹ thuật, bạn cũng sẽ thường gặp công thức (dành cho kỹ sư) viết dưới dạng:
Công thức P = F / A
Với A là diện tích bề mặt (m²). Sự khác biệt giữa S và A:
S và A đều chỉ diện tích bề mặt mà lực tác động lên, nhưng ký hiệu A thường được dùng trong các tài liệu kỹ thuật hoặc khoa học, đặc biệt khi nói đến diện tích trong bối cảnh không gian 2D hoặc 3D.
Trong khi đó, S là ký hiệu chung, thường xuất hiện trong các bài toán cơ bản hoặc các tài liệu giáo dục. Cả hai ký hiệu đều có cùng nghĩa, nhưng A được ưa chuộng trong các ứng dụng kỹ thuật và các lĩnh vực liên quan đến vật lý học, nơi có thể làm việc với các bài toán về diện tích phức tạp hơn (ví dụ, diện tích của các bề mặt không phẳng).
2.Công thức tính áp suất thủy tĩnh (Chất lỏng)
P = d x h
Trong đó:
P: Áp suất đáy cột chất lỏng (Pa).
d:Trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m2).
h: Chiều cao của cột chất lỏng (m).
3.Công thức áp suất chất khí (áp suất khí lý tưởng)
Áp suất chất khí tuân theo phương trình khí lý tưởng, trong đó áp suất (P) được xác định dựa trên thể tích (V), nhiệt độ (T), và số mol khí (n):
P×V=n×R×T
P: Áp suất (Pa)
V: Thể tích khí (m³)
n: Số mol khí
R: Hằng số khí lý tưởng (8.314 J/(mol·K))
T: Nhiệt độ tuyệt đối (K)
4. Công thức tính áp lực F
Trong thực kỹ thuật ứng dụng, công thức F = P × S thường được sử dụng để tính lực tạo ra từ áp suất. Lực F đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và tính toán an toàn kết cấu cơ khí của các thiết bị sử dụng áp suất, chẳng hạn như xi lanh khí nén, xi lanh thủy lực, hoặc bình chứa. Ngoài ra, công thức này còn được ứng dụng để tính toán lực trong nhiều trường hợp thực tế, ví dụ: lực của gầu máy xúc, kích nâng hạ, hoặc các thiết bị thủy lực khác.
Sự hiện diện áp suất quanh ta
Các loại áp suất thường gặp
Áp suất khí quyển:
Là áp suất mà không khí tác động lên bề mặt Trái Đất, do trọng lượng của không khí tạo ra. Áp suất này thường được đo bằng đơn vị mmHg hoặc Bar và có giá trị xấp xỉ 101.3 kPa ở mực nước biển.
Bản thân chúng ta đang sống trong một môi trường áp suất của khí quyển trái đất. Áp suất tại mực nước biển ~14 psi trên 10.000km áp suất gần bằng 0. Áp suất có mối liên hệ mật thiết, tương tác qua lại tới gió, nhiệt độ nhiều yếu tố khác trong tự nhiên.
Áp suất thủy tĩnh:
Áp suất trong chất lỏng, ví dụ như nước trong các bể chứa hoặc đập thủy điện. Áp suất này tăng theo chiều sâu do trọng lượng của chất lỏng.
Áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối:
- Áp suất tuyệt đối: Là áp suất đo được so với chân không tuyệt đối (hoàn toàn không có áp suất).
- Áp suất tương đối: Là sự chênh lệch giữa áp suất đo được và áp suất khí quyển.
Vì người viết là chuyên gia về khí nén trong công nghiệp nên trong bài viết có thiên hướng đề cập ứng dụng trong công nghiệp.
Thiết bị đo áp suất trong công nghiệp
Đồng hồ đo áp suất: Hiển thị áp suất cho người quan sát.
Cảm biến đo áp suất: Chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện analogue cho bo mạch điều khiển tự động.
Công tắc áp suất: Chuyển đổi ngưỡng áp suất thành dạngtín hiệu điện on/off cho mạch điều khiển.
Xem thêm : Áp suất xung quanh là gì và tại sao nó quan trọng
Cách tạo ra áp suất
Trong dân dụng
Áp suất có thể được tạo ra thông qua các phương pháp như hóa học, nhiệt học, hoặc cơ học:
Nhiệt học: Ví dụ, nồi áp suất làm tăng áp suất bên trong bằng cách đun nóng. Áp suất cao giúp gia vị ngấm sâu hơn và thực phẩm nhanh nhừ.
Cơ học: Một ví dụ đơn giản là dùng lực để bơm xe, tạo ra áp suất không khí bên trong lốp xe.
Trong công nghiệp
Áp suất công nghiệp thường được tạo ra liên quan đến chất lỏng và chất khí, với đa số thiết bị hoạt động dựa trên hai dạng này:
Máy bơm nước: Tăng áp suất để đẩy nước đi xa hoặc lên cao, phục vụ cho các hệ thống cấp nước.
Bơm thủy lực: Tăng áp suất dầu thủy lực, giúp đẩy xi lanh nâng hạ thiết bị nặng như máy xúc.
Máy nén khí: Tăng áp suất khí nén thông qua nguyên lý nén thể tích.
Đây là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của áp suất trong công nghiệp. Khí nén được coi là nguồn năng lượng quan trọng thứ 3 trong công nghiệp, chỉ sau điện và nước. Các phương pháp trên minh chứng cho vai trò quan trọng của áp suất trong cả đời sống lẫn sản xuất công nghiệp, giúp tối ưu hóa hiệu quả và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Ứng dụng áp suất trong công nghiệp dân dụng
Công nghiệp thủy lực và khí nén:
Máy xúc và xe cẩu: Các thiết bị này sử dụng áp suất của dầu thủy lực hoặc khí nén để tạo ra lực nâng lớn, giúp nâng các vật nặng hàng trăm tấn. Lực này được sinh ra nhờ công thức F = P * S, tạo ra áp suất lớn.
Máy nén khí: Các máy nén khí làm việc dựa trên nguyên lý tạo ra áp suất cao để cung cấp năng lượng cho các dụng cụ công nghiệp, giúp thực hiện các công việc như bắn đinh, khoan, hoặc cắt.
Đời sống hàng ngày:
Lốp xe: Áp suất trong lốp xe đảm bảo hiệu suất vận hành và sự an toàn khi lái xe. Khi lốp xe có áp suất thấp, độ bám đường giảm, tăng nguy cơ tai nạn.
Nồi áp suất: Sử dụng áp suất cao để nấu chín thức ăn nhanh hơn, tiết kiệm thời gian và năng lượng.
Các bài học liên quan trong Vật lý
Lớp 8 - Chương “Áp suất”: Trong chương này, học sinh sẽ học về công thức tính áp suất và áp suất trong chất lỏng, với các ứng dụng thực tế như tính toán áp suất trong các bể chứa hoặc máy bơm.
Lớp 10 - Áp suất khí quyển: Chương này giải thích về nguyên lý Torricelli, ứng dụng trong đo độ cao và dự báo thời tiết, đồng thời giúp học sinh hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của áp suất khí quyển lên các hoạt động của con người.
Lớp 12 - Thủy lực và khí động lực học: Áp suất cũng là yếu tố chính trong các nguyên lý như Bernoulli, được ứng dụng trong các lĩnh vực như máy bay, ô tô, và các hệ thống cơ khí khác.
