Áp suất (Pressure)

Công thức tính áp suất:

Công thức tính áp suất được biểu diễn như sau:

$P = \frac{F}{A}$

Trong đó:

• $P$ là áp suất (đơn vị Pascal – Pa hoặc N/m$^2$)
• $F$ là lực tác dụng vuông góc lên bề mặt (đơn vị Newton – N)
• $A$ là diện tích bề mặt chịu tác dụng của lực (đơn vị mét vuông – m$^2$)

Đơn vị và các loại áp suất

Đơn vị SI của áp suất là Pascal (Pa), được định nghĩa là 1 Newton trên 1 mét vuông (1 Pa = 1 N/m$^2$). Ngoài Pascal, còn có một số đơn vị khác thường được sử dụng như:

• Atmosphere (atm): 1 atm ≈ 101325 Pa. Đây là áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển.
• Bar: 1 bar = 100000 Pa.
• Torr hoặc mmHg: 760 Torr = 1 atm. Đơn vị này dựa trên chiều cao của cột thủy ngân.
• Psi (pounds per square inch): Đơn vị này thường được sử dụng ở Mỹ. 1 psi ≈ 6895 Pa.

Các loại áp suất:

• Áp suất tuyệt đối: Là áp suất được đo so với chân không hoàn toàn (áp suất bằng 0).
• Áp suất tương đối (áp suất dư): Là áp suất được đo so với áp suất khí quyển hiện tại. Áp suất tương đối thường được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật.
• Áp suất khí quyển: Là áp suất do trọng lượng của không khí tác dụng lên bề mặt Trái Đất. Áp suất khí quyển thay đổi theo độ cao và điều kiện thời tiết.

Ứng dụng của áp suất

Áp suất có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• Khí tượng học: Dự báo thời tiết dựa trên sự thay đổi áp suất khí quyển.
• Y học: Đo huyết áp là một chỉ số quan trọng về sức khỏe.
• Kỹ thuật: Thiết kế các hệ thống thủy lực, khí nén, động cơ đốt trong.
• Địa chất: Nghiên cứu áp suất trong lòng đất.
• Đời sống hàng ngày: Nấu ăn bằng nồi áp suất, bơm hơi xe đạp, máy hút bụi.

Ví dụ

Một người nặng 60 kg đứng trên mặt đất với diện tích tiếp xúc của hai bàn chân là 0.03 m$^2$. Áp suất mà người đó tác dụng lên mặt đất là:

$P = \frac{F}{A} = \frac{60 kg \times 9.8 m/s^2}{0.03 m^2} \approx 19600 Pa$

Nguyên lý Pascal

Nguyên lý Pascal phát biểu rằng áp suất tác dụng lên một chất lỏng kín được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong chất lỏng và lên thành bình chứa. Nguyên lý này có ứng dụng quan trọng trong các hệ thống thủy lực, chẳng hạn như phanh xe hơi và máy nâng thủy lực.

Áp suất trong chất lỏng

Áp suất tại một điểm trong chất lỏng tĩnh phụ thuộc vào độ sâu của điểm đó so với mặt thoáng và khối lượng riêng của chất lỏng. Công thức tính áp suất trong chất lỏng tĩnh là:

$P = \rho g h$

Trong đó:

• $P$ là áp suất tại điểm đó (Pa)
• $\rho$ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m$^3$)
• $g$ là gia tốc trọng trường (xấp xỉ 9.8 m/s$^2$ trên Trái Đất)
• $h$ là độ sâu của điểm đó so với mặt thoáng (m)

Áp suất khí

Áp suất khí được gây ra bởi sự va chạm của các phân tử khí lên thành bình chứa. Áp suất khí phụ thuộc vào nhiệt độ, thể tích và số lượng phân tử khí. Phương trình trạng thái khí lý tưởng mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng này:

$PV = nRT$

Trong đó:

• $P$ là áp suất khí (Pa)
• $V$ là thể tích khí (m$^3$)
• $n$ là số mol khí (mol)
• $R$ là hằng số khí lý tưởng (8.314 J/(mol·K))
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (K)

Sự chênh lệch áp suất

Sự chênh lệch áp suất là nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng và khí. Không khí di chuyển từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp, tạo ra gió. Chất lỏng cũng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp.

Ảnh hưởng của áp suất lên điểm sôi

Điểm sôi của một chất lỏng phụ thuộc vào áp suất. Khi áp suất tăng, điểm sôi cũng tăng. Ví dụ, nước sôi ở 100°C ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn (1 atm), nhưng ở áp suất cao hơn, nước có thể sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nguyên lý này được ứng dụng trong nồi áp suất để nấu thức ăn nhanh hơn.

• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
• Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2014). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Cengage Learning.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2008). Physics for Scientists and Engineers. W.H. Freeman.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao áp suất trong chất lỏng tăng theo độ sâu?

Trả lời: Áp suất trong chất lỏng tăng theo độ sâu là do trọng lượng của chất lỏng phía trên. Càng xuống sâu, lượng chất lỏng phía trên càng nhiều, do đó trọng lượng của chất lỏng tác dụng lên một diện tích nhất định (áp suất) càng lớn. Điều này được thể hiện rõ trong công thức $P = \rho g h$, áp suất tỉ lệ thuận với độ sâu $h$.

Sự khác biệt giữa áp suất gauge và áp suất tuyệt đối là gì? Cho ví dụ minh họa.

Trả lời: Áp suất tuyệt đối được đo so với chân không hoàn toàn (áp suất bằng 0), trong khi áp suất gauge (hay áp suất tương đối) được đo so với áp suất khí quyển hiện tại. Ví dụ, nếu áp suất gauge của lốp xe là 30 psi, điều này có nghĩa là áp suất trong lốp xe cao hơn áp suất khí quyển xung quanh là 30 psi. Áp suất tuyệt đối của lốp xe sẽ là 30 psi cộng với áp suất khí quyển (khoảng 14.7 psi ở mực nước biển), tức là khoảng 44.7 psi.

Nguyên lý Pascal được ứng dụng như thế nào trong hệ thống phanh thủy lực của ô tô?

Trả lời: Khi bạn đạp phanh, lực tác dụng lên bàn đạp tạo ra áp suất trong chất lỏng phanh (dầu phanh). Theo nguyên lý Pascal, áp suất này được truyền đều đến các xi lanh phanh ở bánh xe. Lực được tạo ra tại các xi lanh phanh này tác dụng lên má phanh, ép vào đĩa phanh hoặc tang trống, làm giảm tốc độ hoặc dừng xe.

Nếu ta giảm thể tích của một lượng khí nhất định trong bình kín mà giữ nhiệt độ không đổi, điều gì sẽ xảy ra với áp suất của khí? Giải thích tại sao.

Trả lời: Nếu giảm thể tích của một lượng khí nhất định trong bình kín mà giữ nhiệt độ không đổi, áp suất của khí sẽ tăng. Điều này được giải thích bởi định luật Boyle-Mariotte, một trường hợp đặc biệt của phương trình trạng thái khí lý tưởng ($PV = nRT$). Khi nhiệt độ ($T$) và số mol khí ($n$) không đổi, tích của áp suất ($P$) và thể tích ($V$) là một hằng số. Do đó, nếu $V$ giảm, $P$ phải tăng để duy trì hằng số này.

Tại sao điểm sôi của nước lại giảm khi lên cao?

Trả lời: Điểm sôi của nước giảm khi lên cao là do áp suất khí quyển giảm theo độ cao. Ở độ cao lớn, áp suất khí quyển thấp hơn, nghĩa là các phân tử nước dễ dàng thoát ra khỏi bề mặt chất lỏng và chuyển sang trạng thái hơi hơn. Do đó, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn so với ở mực nước biển.