Áp suất – Đơn vị đo áp suất

Áp suất là gì?

Một trong những đại lượng vật lý quan trọng, xuất hiện ở mọi nơi trên trái đất, liên tục tác dụng lực và gây ảnh hưởng đến mọi đối tượng có mặt trên hành tinh này, đó chính là áp suất. Tùy thuộc vào môi trường xung quanh mà loại áp suất tác dụng lên các vật thể sẽ khác nhau.

Ta có ví dụ:

• Với mọi vật thể đang tồn tại trên bề mặt trái đất (mặt đất, mặt biển,…), sẽ phải chịu tác dụng từ áp suất của khí quyển.
• Với mọi vật thể tồn tại dưới biển sẽ phải chịu tác dụng từ áp suất nước biển.

Và còn rất nhiều các môi trường khác, nhưng đây là hai ví dụ gần gũi và phổ biến nhất. Tùy thuộc và tính chất của môi trường xung quanh mà độ lớn của áp suất sẽ khác nhau, đơn giản và dễ nhận thấy nhất là khi ta ở trên cạn và khi chúng ta lặn xuống dưới nước.

Áp suất trong tiếng anh là “Pressure” (ký hiệu là: P hoặc p).

Trong bài viết ngày hôm nay chúng ta sẽ, nhắc lại một số kiến thức cũ và cùng nhau tìm hiểu thêm một số kiến thức mới, liên quan đến đại lượng vật lý này.

Định nghĩa áp suất

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng theo phương vuông góc lên bề mặt của một vật bất kỳ tính trong một đơn vị diện tích.

Công thức tính áp suất

Xuất phát từ định nghĩa ta có áp suất sẽ được tính theo công thức sau:

P = F/S

Trong đó:

• P: Áp suất đơn vị là Pa
• F: Lực tác tác dụng theo phương vuông góc lên bề mặt, đơn vị là N
• S: Diện tích bề mặt chịu tác dụng của lực F, đơn vị là m²

Đơn vị của áp suất

Với đại lượng áp suất người ta sử dụng rất nhiều các loại đơn vị đo áp suất khác nhau như: psi, bar, Pa, mmH₂O, mmHg, in.Hg,…

chúng được chia thành hai loại đơn vị khác nhau đó là: Đơn vị đo áp suất theo hệ đo lường quốc tế, và đơn vị đo áp suất không theo hệ đo lường quốc tế.

Đơn vị đo áp suất theo hệ đo lường quốc tế.

Dựa vào công thức tính áp suất, và quy ước về đơn vị của các đại lượng vật lý trong hệ đo lường quốc tế (viết tắt: SI).

Ta có đơn vị của áp suất theo hệ đo lường quốc tế là:

• Pa đọc là Pascal.
• Hoặc N/m² đọc là niu tơn trên mét vuông.
• Với: 1Pa = 1N/m²

Đơn vị Pascal được quy ước là đơn vị đo áp suất trong hệ SI. Được lấy theo tên của nhà vật lý, nhà toán học Blaise Pascal, người đã có đóng góp quan trọng liên quan đến chất lưu và áp suất, bằng chứng cho những đóng góp to lớn đó, là tên của ông đã được sử dụng dụng để đặt cho đơn vị đo áp suất, và định luật Pascal, vẫn còn được ứng dụng trong nhiều thiết bị máy móc hiện tại.

Những đơn vị đo áp suất phổ biến khác không thuộc hệ đo lường quốc tế

Đơn vị đo áp suất PSI

PSI là viết tắt của cụm từ (Pound Per Square Inch), hiểu đơn giản là Pound trên mỗi inch vuông, đây là loại đơn vị đo áp suất tiêu chuẩn của Mỹ.

Với:

Pound hay còn gọi là cân anh, là loại đơn vị sử dụng để đo khối truyền thống của Anh, Mỹ và một số quốc gia khác (nếu bạn là người đam mê bộ môn quyền anh, trắc không xa lạ với đơn vị này khi ban tổ chức thưởng xếp hạng cân võ sĩ theo đơn vị Pound).

Ta có 1 Pound = 0,4359237 kg

Inch là đơn vị đo chiều dài, và cũng được sử dụng phổ biến ở hai quốc gia trên và một số nước khác. Từ đó Square inch nghĩa là inch vuông, đơn vị đo diện tích của họ.

1 inch = 2,54 cm.

Từ những thông tin trên ta có: 1 PSI = 6895 Pa.

Đơn vị đo áp suất Bar

Khi nhắc đến các đơn vị đo áp suất thông dụng, không thể nào không kể đến Bar.

Loại đơn vị này được đưa ra bởi một nhà vật lý, nhà khí tượng học người Na Uy có tên là Vilhelm Bjerknes (1862 – 1951), ông là người đã xây dựng ra phương pháp dự báo thời tiết, những phương trình sử dụng để tính toán thời tiết của ông vẫn còn được sử dụng đến tận ngày nay.

Vào năm 2004 đơn vị đo áp suất Bar được công nhận ở các quốc gia thuộc Châu Âu.

Ta có: 1 Bar = 100000 Pa

Đơn vị đo áp suất atm

Một trong những đơn vị đo áp suất phổ biến mà không thuộc hệ đo lường quốc tế, đó là “atm”

Đơn vị đo áp suất atm tên tiếng anh là (standard atmosphere), hiểu đơn giản là áp suất khí quyển tiêu chuẩn và áp suất khí quyển.

Nhưng tại sao người ta lại gọi tên nó như vậy? Và tại sao phải cần thêm đơn vị đo áp suất trong khi đã có rồi?

Chúng ta có hai lý do cơ bản nhất bắt nguồn từ tính chất của áp suất khí quyển, và nhu cầu tính toán.

Đầu tiên áp suất khí quyển sẽ thay đổi theo độ cao, cụ thể là càng lên cao thì áp suất càng giảm xuống, vậy nên trong nhiều trường hợp, rất khó để xác định được một giá trị áp suất cụ thể để tính toán thiết kế, một thứ gì hay là chứng minh điều gì đó.

Vậy nên người ta đã chọn ra một điểm có chiều nào đó làm mốc để, thuận tiện cho việc tính toán và quy đổi, và mốc chiều cao đó được xác định dựa vào độ cao trung bình của mặt nước biển và tại đó người ta đo được áp suất là 1013325 Pa, và quy ước là 1atm.

Ta có: 1 atm = 101325 Pa.

Ngoài những đơn vị sử dụng đo áp suất kể trên, người ta còn sử dụng rất nhiều loại đơn vị đo áp suất khác nữa như (mmHg, at, torr,…).

Những loại áp suất phổ biến sử dụng trong các ngành kỹ thuật

Áp suất riêng phần (áp suất từng phần)

Theo wikipedia Trong một hỗn hợp có nhiều loại chất khí, mỗi một khí trong hỗn hợp đó sẽ có một áp suất riêng áp suất này được gọi là áp suất riêng phần. Xét trong trường hợp này áp suất riêng phần của một khí bất kỳ trong hỗn hợp, được hiểu là áp suất của khí đó trong toàn bộ không gian ban đầu, khi ta đã rút các loại khí khác ra ngoài.

Để hiểu thêm về loại áp suất này, ta xét ví dụ sau:

Xét một chiếc hộp có thể đáp ứng được một số điều kiện lý tưởng như (độ kín, có thế rút tựng loại khí ra bên ngoài, hoặc đưa khí vào,…).

Đầu tiên ta mở hộp ở điều kiện bình thường, ngay lập tức không khí sẽ tràn vào trong hộp, sau đó ta đóng kín bình lại và rút các chất khí như Nito, cacbon dioxit, Argon,… Ra khỏi hộp, chỉ để lại mình oxy lại bên trong với lượng oxy còn lại bàng với lượng oxy của không khí lúc ban đầu. Bây giờ áp suất do oxy tạo ra bên trong hộp kín đó chính là áp suất riêng phần của oxy, và các chất khác cũng tương tụ như vậy (lưu ý ta xét ví dụ ở cùng một điều kiện nhiệt độ).

Để có thể xác định được áp suất riêng phần của một khí “x” nào đó trong hỗn hợp ta có công thức:

P_x = (n_x/n_hh). p_hh hoặc Px = (V_x­ / V_hh). P_hh

Trong đó:

• P_x : Áp suất riêng phần của khí x.
• n_x : Số mol của chất x
• n_hh ­: Số mol của hỗn hợp
• P_hh : Áp suất của hỗn hợp
• V_x : Thể tích khí x
• V_hh : Thể tích hỗn hợp khí.

Áp suất dư (áp suất tương đối)

Áp suất tương đối tại một vị trí, là áp suất của các phẩn từ lân cận tác dụng lên điểm đó.

Ví dụ: khi ta đo áp suất của một bình khí nén, đường ống nước,… Thông số áp suất hiển thị trên áp kế chính là áp suất tương đối của chất đó trong hệ thống.

Áp suất tuyệt đối

Như bạn đã biết thì trên mặt đất, luôn tồn tại áp suất khí quyển (mình đã trình bày ở đầu bài), nên khi xét áp suất của một hệ thống, dòng chảy, thiết bị,… Nào đó thì ngoài áp suất tương đối tại thời điểm và vị trí xét ta cần cộng thêm áp suất khí quyển. (Tiêu chuẩn đối với môi trường chân không hoàn hảo)

P = P_d + P₀

• P: Áp suất tuyệt đối
• P_d: Áp suất dư
• P₀: Áp suất khí quyển.

Áp suất thẩm thấu

Theo wikipedia Áp suất thẩm thấu là áp suất tối thiểu, cần áp dụng cho dung dịch để ngăn dòng chảy của dung môi tinh khiết qua màng bán thấm về phía chứa chất tan.

Áp suất tĩnh

Áp suất tĩnh được hiểu cơ bản là áp suất đồng nhất các hướng, tương ứng với áp suất gây nên bởi chất lỏng khi mà chất lỏng không chuyển động.

Công thức:

P = p₀ + ρgh

Trong đó:

• P₀: Là áp suất khí quyển
• ρ: Khối lượng riêng của lưu chất
• g: Gia tốc trọng trường
• h: chiều cao tại điểm xét áp suất lên mặt chất lỏng.

Chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất

Chắc hẳn trong quá trình học tập, cũng như làm việc bạn đã gặp qua rất nhiều những đơn vị đo áp suất khác nhau.

Ngay cả trên các thiết bị đồng hồ đo áp suất cũng được thiết kế với nhiều dải đo áp suất khác nhau, bởi mỗi quốc gia thường sử dụng những loại đơn vị đo áp suất khác nhau.

Xét đến điều kiện thực tiễn tại Việt Nam chúng ta, vì khoa học kỹ thuật chưa phát triển mạnh nên rất nhiều loại máy móc thiết bị, buộc phải nhập khẩu, mà không phải chỉ nhập khẩu từ một hay một vài quốc gia, mà được nhập khẩu từ nhiều quốc gia khác nhau.

Nên các loại đơn vị đo áp suất được ứng dụng trong thực tiễn của nước ta cũng rất nhiều. Ngoài những đơn vị phổ biến mình đã nhắc đến ở đầu bài viết ta còn có những đơn vị là lũy thừa cơ số 10 của những đơn vị cơ bản.

Ví dụ: Pa, kPa, Mpa,…

Dưới đây là một số công thức chuyển đổi đơn vị đo áp suất, hoặc bạn cũng có thể tham khảo bảng chuyển đổi áp suất để có thông tin đầy đủ hơn.

• 1 bar = 100 kPa
• 1 bar = 1.02 kg/cm²
• 1 bar = 0.99 atm
• 1 bar = 14.5 PSI
• 1 bar = 750 Torr.

Vai trò của áp suất trong đời sống

Áp suất luôn hiện diện bên ta mọi lúc, nhưng vì đã quá quen với sự có mặt này, nên nhiều khi ta không chú ý đến sự tồn tại của nó.

Để hiểu hơn về tầm quan trọng của áp suất ta cùng nhau, tìm hiểu qua một số lĩnh vực, liên quan đến áp suất.

Trong y học:

• Áp lực của máu tác dụng lên thành mạch máu (hay thường gọi là huyết áp), chỉ số này rất quan trọng, nếu tăng quá cao hoặc xuống quá thấp sẽ có thể ảnh hưởng đến tính mạng con người, và các bác sĩ cũng căn cứ vào huyết áp để chẩn đoán bệnh.
• Nếu bạn đã từng thấy phương pháp hồi sức tim phổi, thì phương pháp này cũng liên quan rất nhiều đến áp suất (bài viết không đi sâu về khía cạnh y học nên ta không bàn chi tiết).

Trong cơ khí động lực;

• Các loại máy móc sử dụng động cơ đốt trong, hoạt động được cũng liên quan đến sự biến đổi áp lực buồng đốt.
• Ứng dụng trong các thiết bị máy móc bơm hút chân không, và rất nhiều loại máy móc khác.

Trong khí tượng học:

• Áp suất là thông số rất quan trọng khi, sự chênh áp khí quyển sẽ gây ra một số hiện tượng thời tiết khác nhau, với sự chênh lệch lớn sẽ gây ra các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Trên đây là một vài ví dụ cơ bản về vai trò của áp suất trong một vài lĩnh vực quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến con người, tất nhiên vai trò của đại lượng vật lý này gần như bao phủ hầu hết mọi mặt.

Thiết bị đo áp suất

Hiểu rõ được tầm quan trọng của áp suất trong kỹ thuật, nên từ lâu các nhà vật lý, nhà phát minh đã rất chú trọng đến áp suất mà thiết bị phải chịu trong quá trình làm việc, để giám sát được áp suất trong nhiều trường trường hợp, đồng thời phục vụ cho công việc nghiên cứu và tính toán, người ta đã phát minh ra áp kế.

Theo wikipedia, chiếc áp kế đầu tiên được tạo ra bởi Gasparo Berti (1600-1643) là một nhà toán học, thiên van học, vật lý học người Ý. Đó là một chiếc áp kế thủy ngân được chế tạo vào năm 1640 đến 1643.

Qua thời gian áp kế đã được cải tiến và phát triển với nhiều kiểu dáng và kích thước khác nhau, và dần được hoàn thiện hơn, để đến bây giờ ta có những thiết bị như: Đồng hồ đo áp suất, áp kế chữ U, huyết áp kế,…

Những thiết bị áp kế ngày nay đã được cải thiện hơn về độ chính xác, có khả năng làm việc trong những điều kiện rung lắp, dải nhiệt độ cũng như dải áp suất làm việc lớn hơn, được tích hợp nhiều đơn vị đo áp suất trên một sản phẩm,…

Mặc dù có hình dáng, tính năng và lĩnh vực ứng dụng khác nhau, nhưng chúng đều có chung nguyên lý cơ bản.