8.1: Shinikizo la gesi
- Page ID
- 182438
- Eleza mali ya shinikizo
- Eleza na kubadilisha kati ya vitengo vya vipimo vya shinikizo
- Eleza uendeshaji wa zana za kawaida za kupima shinikizo la gesi
- Tumia shinikizo kutoka data ya manometer
Anga ya dunia ina shinikizo, kama vile gesi nyingine yoyote. Ingawa hatujui shinikizo la anga, sisi ni nyeti kwa mabadiliko ya shinikizo-kwa mfano, wakati masikio yako “yanapopiga” wakati wa kuchukua na kutua wakati wa kuruka, au unapopiga mbizi chini ya maji. Shinikizo la gesi linasababishwa na nguvu inayotumiwa na molekuli za gesi zinazogongana na nyuso za vitu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Ingawa nguvu ya kila mgongano ni ndogo sana, uso wowote wa eneo la thamani hupata idadi kubwa ya migongano kwa muda mfupi, ambayo inaweza kusababisha shinikizo la juu. Kwa kweli, shinikizo la kawaida la hewa ni nguvu ya kutosha kuponda chombo cha chuma wakati si sawa na shinikizo sawa kutoka ndani ya chombo.
Shinikizo la anga linasababishwa na uzito wa safu ya molekuli za hewa katika anga juu ya kitu, kama vile gari la tanker. Katika usawa wa bahari, shinikizo hili ni sawa na ile iliyofanywa na tembo wa Afrika mzima mzima amesimama kwenye mlango, au mpira wa kawaida wa Bowling unaopumzika kwenye thumbnail yako. Hizi zinaweza kuonekana kama kiasi kikubwa, na ni, lakini maisha duniani yamebadilika chini ya shinikizo la anga. Ikiwa kweli hupiga mpira wa bowling kwenye thumbnail yako, shinikizo la uzoefu ni mara mbili shinikizo la kawaida, na hisia haifai.
Mfano mkubwa wa shinikizo la anga hutolewa katika video hii fupi, ambayo inaonyesha gari la tanker la reli linaloanguka wakati shinikizo lake la ndani linapungua.
Shinikizo hufafanuliwa kama nguvu inayotumiwa kwenye eneo fulani:
\[P=\dfrac{F}{A} \label{9.2.1} \]
Kwa kuwa shinikizo ni sawia moja kwa moja na nguvu na inversely sawia na eneo (Equation\ ref {9.2.1}), shinikizo linaweza kuongezeka ama kwa kuongeza kiasi cha nguvu au kwa kupunguza eneo ambalo linatumika. Vivyo hivyo, shinikizo linaweza kupungua kwa kupungua kwa nguvu au kuongeza eneo hilo.
Hebu kuomba ufafanuzi wa shinikizo (Equation\ ref {9.2.1}) kuamua ambayo itakuwa zaidi uwezekano wa kuanguka kupitia barafu nyembamba katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\). -tembo au skater takwimu?
Tembo mkubwa wa Afrika anaweza kupima tani 7, akisaidiwa kwa miguu minne, kila mmoja mwenye kipenyo cha takriban 1.5 ft (eneo la nyayo 250 katika 2), hivyo shinikizo linalotumiwa na kila mguu ni takriban 14 lb/katika 2:
\[\mathrm{pressure\: per\: elephant\: foot=14,000\dfrac{lb}{elephant}×\dfrac{1\: elephant}{4\: feet}×\dfrac{1\: foot}{250\:in^2}=14\:lb/in^2} \label{9.2.2} \]
Skater takwimu ina uzito wa 120 lbs, mkono juu ya vile skate mbili, kila na eneo la karibu 2 katika 2, hivyo shinikizo exerted na kila blade ni kuhusu 30 lb/katika 2:
\[\mathrm{pressure\: per\: skate\: blade=120\dfrac{lb}{skater}×\dfrac{1\: skater}{2\: blades}×\dfrac{1\: blade}{2\:in^2}=30\:lb/in^2} \label{9.2.3} \]
Ingawa tembo ni zaidi ya mara mia moja nzito kuliko skater, ina chini ya nusu ya shinikizo na hivyo itakuwa chini ya uwezekano wa kuanguka kupitia barafu nyembamba. Kwa upande mwingine, ikiwa skater huondoa skates zake na anasimama kwa miguu isiyo wazi (au viatu vya kawaida) kwenye barafu, eneo kubwa ambalo uzito wake hutumiwa sana hupunguza shinikizo lililofanywa:
\[\mathrm{pressure\: per\: human\: foot=120\dfrac{lb}{skater}×\dfrac{1\: skater}{2\: feet}×\dfrac{1\: foot}{30\:in^2}=2\:lb/in^2} \label{9.2.4} \]
Kitengo cha shinikizo la SI ni pascal (Pa), na 1 Pa = 1 N/m 2, ambapo N ni Newton, kitengo cha nguvu kinachojulikana kama kilo 1 m/s 2. Pascal moja ni shinikizo ndogo; mara nyingi, ni rahisi zaidi kutumia vitengo vya kilopascal (1 kPa = 1000 Pa) au bar (1 bar = 100,000 Pa). Nchini Marekani, shinikizo mara nyingi hupimwa kwa paundi za nguvu kwenye eneo la inchi moja za mraba— paundi kwa inchi mraba (psi) -kwa mfano, katika matairi ya gari. Shinikizo pia linaweza kupimwa kwa kutumia kitengo cha anga (atm), ambacho awali kiliwakilisha wastani wa shinikizo la hewa la usawa wa bahari kwenye latitude takriban ya Paris (45°). Jedwali\(\PageIndex{1}\) hutoa taarifa juu ya hizi na vitengo vingine vya kawaida kwa vipimo vya shinikizo
| Jina la Kitengo na Kifupisho | Ufafanuzi au Uhusiano na Kitengo Kingine | Maoni |
|---|---|---|
| Pascal (Pa) | 1 Pa = 1 N/m 2 | ilipendekeza kitengo cha IUPAC |
| kilopascal (kPa) | 1 kPa = 1000 Pa | |
| paundi kwa inchi mraba (psi) | shinikizo la hewa kwenye usawa wa bahari ni ~14.7 psi | |
| anga (atm) | 1 atm = 101,325 Pa | shinikizo la hewa kwenye usawa wa bahari ni ~1 atm |
| bar (bar, au b) | 1 bar = 100,000 Pa (hasa) | kawaida kutumika katika hali ya hewa |
| millibar (mbar, au mb) | 1000 mbar = 1 bar | |
| inchi ya zebaki (in. Hg) | 1 katika. Hg = 3386 Pa | kutumiwa na sekta ya anga, pia baadhi ya ripoti ya hali ya hewa |
| torr | \(\mathrm{1\: torr=\dfrac{1}{760}\:atm}\) | jina lake baada ya Evangelista Torricelli, mvumbuzi wa barometer |
| milimita ya zebaki (mm Hg) | 1 mm Hg ~1 torr |
Huduma ya Hali ya hewa ya Taifa ya Marekani inaripoti shinikizo katika inchi zote mbili za Hg na millibars. Badilisha shinikizo la 29.2 in. Hg ndani ya:
- torr
- atm
- kPa
- mbar
Suluhisho
Hii ni tatizo kitengo uongofu. Uhusiano kati ya vitengo mbalimbali vya shinikizo hutolewa katika Jedwali 9.2.1.
- \(\mathrm{29.2\cancel{in\: Hg}×\dfrac{25.4\cancel{mm}}{1\cancel{in}} ×\dfrac{1\: torr}{1\cancel{mm\: Hg}} =742\: torr}\)
- \(\mathrm{742\cancel{torr}×\dfrac{1\: atm}{760\cancel{torr}}=0.976\: atm}\)
- \(\mathrm{742\cancel{torr}×\dfrac{101.325\: kPa}{760\cancel{torr}}=98.9\: kPa}\)
- \(\mathrm{98.9\cancel{kPa}×\dfrac{1000\cancel{Pa}}{1\cancel{kPa}} \times \dfrac{1\cancel{bar}}{100,000\cancel{Pa}} \times\dfrac{1000\: mbar}{1\cancel{bar}}=989\: mbar}\)
kawaida barometric shinikizo katika Kansas City ni 740 torr. Je! Shinikizo hili ni katika anga, katika milimita ya zebaki, katika kilopascals, na katika bar?
- Jibu
-
0.974 atm; 740 mm Hg; 98.7 kPa; 0.987 bar
Tunaweza kupima shinikizo la anga, nguvu inayotumiwa na anga juu ya uso wa dunia, na barometer (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Barometer ni tube ya kioo ambayo imefungwa kwa mwisho mmoja, imejaa kioevu kisichozidi kama zebaki, halafu huingizwa na kuzama ndani ya chombo cha kioevu hicho. Anga ina shinikizo kwenye kioevu nje ya bomba, safu ya kioevu ina shinikizo ndani ya tube, na shinikizo kwenye uso wa kioevu ni sawa ndani na nje ya tube. Urefu wa kioevu katika bomba kwa hiyo ni sawa na shinikizo linalojitokeza na anga.
Ikiwa kioevu ni maji, shinikizo la kawaida la anga litasaidia safu ya maji zaidi ya mita 10 juu, ambayo haifai kwa kufanya (na kusoma) barometer. Kwa sababu zebaki (Hg) ni takriban denser mara 13.6 kuliko maji, barometer ya zebaki inahitaji tu kuwa mrefu\(\dfrac{1}{13.6}\) kama barometer ya maji-ukubwa unaofaa zaidi. Shinikizo la angahewa la kawaida la atm 1 kwenye usawa wa bahari (101,325 Pa) linalingana na safu ya zebaki ambayo ni juu ya 760 mm (29.92 in.). Torr awali ilikuwa na lengo la kuwa kitengo sawa na millimeter moja ya zebaki, lakini haiendani tena hasa. Shinikizo linalofanywa na maji kutokana na mvuto linajulikana kama shinikizo la hydrostatic, p:
\[p=hρg \label{9.2.5} \]
wapi
- \(h\)ni urefu wa maji,
- \(ρ\)ni wiani wa maji, na
- \(g\)ni kuongeza kasi kutokana na mvuto.
Onyesha hesabu inayounga mkono madai ya kwamba shinikizo la anga karibu na usawa wa bahari linalingana na shinikizo linalofanywa na safu ya zebaki ambayo ni juu ya 760 mm juu. Uzito wa zebaki =\(13.6 \,g/cm^3\).
Suluhisho
Shinikizo la hydrostatic linatolewa na Equation\ ref {9.2.5}\(h = 760 \,mm\), na\(ρ = 13.6\, g/cm^3\),, na\(g = 9.81 \,m/s^2\). Kuziba maadili haya katika Equation\ ref {9.2.5} na kufanya mabadiliko muhimu kitengo kutatupa thamani tunayotafuta. (Kumbuka: Tunatarajia kupata shinikizo la ~101,325 Pa:)
\[\mathrm{101,325\:\mathit{N}/m^2=101,325\:\dfrac{kg·m/s^2}{m^2}=101,325\:\dfrac{kg}{m·s^2}} \nonumber \]
\ [kuanza {align*}
p&\ mathrm {=\ kushoto (760\: mm×\ dfrac {1\: m} {1000\: mm}\ kulia) ×\ kushoto (\ dfrac {13.6\: g} {1\: cm^3} ×\ dfrac {1\: kg} {1000\: g} ×\ dfrac {(100\: cm) ^3} {(1\: m) ^3}\ kulia) ×\ kushoto (\ dfrac {9.81\: m} {1\: s ^ 2}\ haki)}\\ [4pt]
&\ mathrm {=( 0.760\: m) (13,600\: kg/m ^ 3) (9.81\ :m/s ^ 2) =1. 01\ mara 10 ^ 5\: kg/ms^2=1.01×10 ^ 5\ mathit {N} /m ^ 2}\\[4pt] & \mathrm{=1.01×10^5\:Pa} \end {align*} \nonumber \]
Tumia urefu wa safu ya maji kwenye 25 °C inayofanana na shinikizo la kawaida la anga. Uzito wa maji katika joto hili ni 1.0 g/cm 3.
- Jibu
-
10.3 m
Manometer ni kifaa kinachofanana na barometer ambacho kinaweza kutumika kupima shinikizo la gesi iliyotiwa kwenye chombo. Manometer iliyofungwa-mwisho ni tube yenye umbo la U yenye mkono mmoja uliofungwa, mkono mmoja unaounganisha na gesi ya kupimwa, na kiowevu kisicho na tete (kawaida zebaki) katikati. Kama ilivyo na barometer, umbali kati ya viwango vya kioevu katika mikono miwili ya tube (h katika mchoro) ni sawa na shinikizo la gesi katika chombo. Manometer ya mwisho ya wazi (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)) ni sawa na manometer ya mwisho, lakini moja ya silaha zake ni wazi kwa anga. Katika kesi hiyo, umbali kati ya viwango vya kiowevu unafanana na tofauti katika shinikizo kati ya gesi kwenye chombo na angahewa.
Shinikizo la sampuli ya gesi hupimwa kwa usawa wa bahari na manometer ya mwisho ya Hg (zebaki), kama inavyoonyeshwa hapa chini. Kuamua shinikizo la gesi katika:
- mm Hg
- atm
- kPa
Suluhisho
Shinikizo la gesi ni sawa na shinikizo la hydrostatic kutokana na safu ya zebaki ya urefu 13.7 cm pamoja na shinikizo la anga kwenye usawa wa bahari. (Shinikizo kwenye mstari wa chini wa usawa ni sawa pande zote mbili za tube. Shinikizo upande wa kushoto ni kutokana na gesi na shinikizo upande wa kulia ni kutokana na 13.7 cm ya Hg pamoja na shinikizo la anga.)
- Katika mm Hg, hii ni: 137 mm Hg + 760 mm Hg = 897 mm Hg
- \(\mathrm{897\cancel{mm Hg}×\dfrac{1\: atm}{760\cancel{mm Hg}}=1.18\: atm}\)
- \(\mathrm{1.18\cancel{atm}×\dfrac{101.325\: kPa}{1\cancel{atm}}=1.20×10^2\:kPa}\)
Shinikizo la sampuli ya gesi hupimwa kwa usawa wa bahari na manometer ya mwisho ya Hg, kama inavyoonekana hapa chini Kuamua shinikizo la gesi katika:
- mm Hg
- atm
- kPa
Jibu
-
642 mm Hg
- Jibu b
-
0.845 atm
- Jibu c
-
85.6 kPa
Shinikizo la damu hupimwa kwa kutumia kifaa kinachoitwa sphygmomanometer (Kigiriki sphygmos = “pulse”). Inajumuisha kikombe cha inflatable ili kuzuia mtiririko wa damu, manometer kupima shinikizo, na njia ya kuamua wakati mtiririko wa damu unapoanza na unapopunguzwa (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Tangu uvumbuzi wake mwaka 1881, imekuwa kifaa muhimu cha matibabu. Kuna aina nyingi za sphygmomanometers: zile za mwongozo zinazohitaji stethoscope na zinatumiwa na wataalamu wa matibabu; zebaki, zinazotumiwa wakati usahihi zaidi unahitajika; zile za mitambo zisizo sahihi; na zile za digital ambazo zinaweza kutumika kwa mafunzo kidogo lakini ambazo zina mapungufu. Wakati wa kutumia sphygmomanometer, cuff huwekwa karibu na mkono wa juu na umechangiwa mpaka mtiririko wa damu umezuiwa kabisa, kisha hutolewa polepole. Kama moyo unapopiga, damu kulazimishwa kupitia mishipa husababisha kuongezeka kwa shinikizo. Kuongezeka kwa shinikizo ambalo mtiririko wa damu huanza ni shinikizo la systolic— shinikizo la kilele katika mzunguko wa moyo. Wakati shinikizo la cuff linalingana na shinikizo la systolic la damu, damu inapita nyuma ya kamba, na kuunda sauti zinazoweza kusikika ambazo zinaweza kusikilizwa kwa kutumia stethoscope. Hii inafuatiwa na kupungua kwa shinikizo kama ventricles ya moyo huandaa kwa kupiga mwingine. Kama shinikizo la cuff linaendelea kupungua, hatimaye sauti haisikiki tena; hii ni shinikizo la diastoli— shinikizo la chini kabisa (awamu ya kupumzika) katika mzunguko wa moyo. Vitengo vya shinikizo la damu kutoka sphygmomanometer ni katika suala la milimita ya zebaki (mm Hg).
Meteorology, hali ya hewa, na Sayansi ya Anga
Kwa miaka mingi, watu wameona mawingu, upepo, na mvua, wakijaribu kutambua mwelekeo na kufanya utabiri: wakati ni bora kupanda na kuvuna; ikiwa ni salama kuweka safari ya bahari; na mengi zaidi. Sasa tunakabiliwa na changamoto tata za hali ya hewa na anga ambazo zitakuwa na athari kubwa katika ustaarabu wetu na mazingira. Taaluma mbalimbali za kisayansi hutumia kanuni za kemikali kutusaidia kuelewa hali ya hewa, angahewa, na tabianchi. Hizi ni hali ya hewa, hali ya hewa, na sayansi ya anga. Meteorology ni utafiti wa anga, matukio ya anga, na athari za anga kwenye hali ya hewa ya dunia. Meteorologists kutafuta kuelewa na kutabiri hali ya hewa katika muda mfupi, ambayo inaweza kuokoa maisha na kufaidika uchumi. Utabiri wa hali ya hewa (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)) ni matokeo ya maelfu ya vipimo vya shinikizo la hewa, joto, na kadhalika, ambazo zimeandaliwa, zimewekwa, na kuchambuliwa katika vituo vya hali ya hewa duniani kote.
Kwa upande wa hali ya hewa, mifumo ya chini ya shinikizo hutokea wakati shinikizo la anga la uso wa dunia liko chini kuliko mazingira ya jirani: Hewa yenye unyevu huongezeka na hupunguza, huzalisha mawingu. Movement ya unyevu na hewa ndani ya mipaka mbalimbali ya hali ya hewa inasababisha matukio mengi ya hali ya hewa.
Angahewa ni safu ya gesi inayozunguka sayari. Anga ya dunia, ambayo ni takriban 100-125 km nene, lina takribani 78.1% nitrojeni na 21.0% oksijeni, na inaweza kugawanywa zaidi katika mikoa inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{7}\): exosphere (mbali zaidi duniani, > 700 km juu ya usawa wa bahari), thermosphere (80—700 km), mesosphere (50—80 km), the stratosphere (kiwango cha pili cha chini kabisa cha anga yetu, km 12—50 juu ya usawa wa bahari), na troposphere (hadi kilomita 12 juu ya usawa wa bahari, takriban 80% ya anga ya dunia kwa wingi na safu ambapo matukio mengi ya hali ya hewa yanatokea). Unapoenda juu katika troposphere, wiani wa hewa na joto hupungua.
Hali ya hewa ni utafiti wa hali ya hewa, hali ya wastani ya hali ya hewa kwa vipindi vya muda mrefu, kwa kutumia data ya anga. Hata hivyo, wataalamu wa hali ya hewa hujifunza mifumo na madhara yanayotokea kwa miongo kadhaa, karne, na milenia, badala ya muafaka mfupi wa saa, siku, na wiki kama meteorologists. Sayansi ya anga ni shamba pana hata, kuchanganya hali ya hewa, hali ya hewa, na taaluma nyingine za kisayansi zinazojifunza anga.
Muhtasari
Gesi hufanya shinikizo, ambayo ni nguvu kwa eneo la kitengo. Shinikizo la gesi linaweza kuonyeshwa katika kitengo cha SI cha pascal au kilopascal, na pia katika vitengo vingine vingi ikiwa ni pamoja na torr, anga, na bar. Shinikizo la angahewa hupimwa kwa kutumia barometer; shinikizo nyingine za gesi zinaweza kupimwa kwa kutumia moja kati ya aina kadhaa za manometers.
Mlinganyo muhimu
- \(P=\dfrac{F}{A}\)
- p = hρg
faharasa
- anga (atm)
- kitengo cha shinikizo; 1 atm = 101,325 Pa
- baa
- (bar au b) kitengo cha shinikizo; 1 bar = 100,000 Pa
- barometa
- kifaa kilichotumiwa kupima shinikizo la anga
- shinikizo la hydrostatic
- shinikizo linalofanywa na maji kutokana na mvuto
- manometer
- kifaa kutumika kupima shinikizo la gesi trapped katika chombo
- Pascal (Pa)
- SI kitengo cha shinikizo; 1 Pa = 1 N/m 2
- paundi kwa inchi mraba (psi)
- kitengo cha shinikizo la kawaida nchini Marekani
- shinikizo
- nguvu exerted kwa eneo la kitengo
- torr
- kitengo cha shinikizo;\(\mathrm{1\: torr=\dfrac{1}{760}\,atm}\)