9.1 Gasþrýstingur

Lofthjúpur jarðar veldur þrýstingi, rétt eins og aðrar lofttegundir. Þótt við tökum venjulega ekki eftir loftþrýstingnum finnum við fyrir þrýstingsbreytingum, til dæmis þegar við fáum hellu fyrir eyrun við flugtak og lendingu eða þegar kafað er í vatni. Gasþrýstingur stafar af kraftinum sem gassameindir beita þegar þær rekast á yfirborð hluta (mynd 9.2). Þótt kraftur hvers áreksturs sé mjög lítill verða árekstrarnir á sérhvert yfirborð af nokkurri stærð svo margir á stuttum tíma að þeir geta valdið miklum þrýstingi. Venjulegur loftþrýstingur er reyndar nógu mikill til að kremja málmílát ef þrýstingur innan í ílátinu vegur honum ekki upp á móti.

Loftþrýstingur stafar af þyngd súlu loftsameinda í lofthjúpnum yfir hlut, eins og til dæmis yfir tankvagninum. Við sjávarmál er þessi þrýstingur um það bil sá sami og fullvaxinn afrískur fíll myndi beita ef hann stæði á dyramottu, eða dæmigerð keilukúla sem hvílir á þumalfingursnöglinni á þér. Þetta kann að virðast gríðarlegur þrýstingur, og það er hann vissulega, en líf á jörðinni hefur þróast við slíkan loftþrýsting. Ef þú lætur raunverulega keilukúlu hvíla á þumalfingursnöglinni á þér er þrýstingurinn sem þú finnur fyrir tvöfalt meiri en venjulegur þrýstingur, og tilfinningin er óþægileg.

Almennt er þrýstingur skilgreindur sem kraftur sem verkar á tiltekið flatarmál: $P=\frac{F}{A}$. Athugið að þrýstingur er í réttu hlutfalli við kraftinn og í öfugu hlutfalli við flatarmálið. Því má auka þrýsting annaðhvort með því að auka kraftinn eða minnka flatarmálið sem hann verkar á; sömuleiðis má minnka þrýsting með því að minnka kraftinn eða stækka flatarmálið.

Beitum þessu hugtaki til að ákvarða hvort veldur meiri þrýstingi á mynd 9.3 — fíllinn eða listskautarinn. Stór afrískur fíll getur haft massann 6.350 kg og stendur á fjórum fótum, þar sem hver fótur er um 0,46 m í þvermál og flatarmál hvers fótspors er um 0,161 m². Þrýstingurinn sem hver fótur veldur er því um 97 kPa:

Listskautarinn hefur massann um 54,4 kg og stendur á tveimur skautablöðum þar sem flatarmál hvors blaðs er um 1,29 $\times \text{⁠}$ 10⁻³ m². Þrýstingurinn sem hvort blað veldur er því um 207 kPa:

SI-eining þrýstings er paskal (Pa), þar sem 1 Pa = 1 N/m² og N stendur fyrir njúton, mælieiningu krafts sem er skilgreind sem 1 kg m/s². Eitt paskal er lítill þrýstingur og því er oft hentugra að nota einingarnar kílópaskal (1 kPa = 1.000 Pa) eða bar (1 bar = 100.000 Pa). Þrýstingur í bíldekkjum er til dæmis yfirleitt gefinn upp í kílópaskölum eða börum. Einnig má mæla þrýsting í einingunni lofthjúpur (atm), sem upphaflega táknaði meðalloftþrýsting við sjávarmál á svipaðri breiddargráðu og París (45°). Tafla 9.1 sýnir þessar og nokkrar aðrar algengar mælieiningar þrýstings.

Við getum mælt loftþrýsting — kraftinn sem lofthjúpurinn beitir á yfirborð jarðar — með loftvog (mynd 9.4). Loftvog er glerpípa sem er lokuð í öðrum endanum, fyllt af órokgjörnum vökva eins og kvikasilfri og síðan hvolft og sökkt í ílát með sama vökva. Lofthjúpurinn beitir þrýstingi á vökvann utan pípunnar, vökvasúlan beitir þrýstingi innan hennar og þrýstingurinn við yfirborð vökvans er sá sami innan og utan pípunnar. Hæð vökvans í pípunni er því í réttu hlutfalli við þrýstinginn sem lofthjúpurinn beitir.

Ef vökvinn er vatn heldur venjulegur loftþrýstingur uppi vatnssúlu sem er yfir 10 metra á hæð, sem er frekar óhentugt þegar smíða á loftvog og lesa af henni. Þar sem eðlismassi kvikasilfurs (Hg) er um 13,6 sinnum meiri en eðlismassi vatns þarf kvikasilfursloftvog aðeins að vera $\frac{1}{\mathrm{13,6}}$ af hæð vatnsloftvogar — mun hentugri stærð. Staðalloftþrýstingurinn 1 atm við sjávarmál (101.325 pa) samsvarar kvikasilfursúlu sem er um 760 mm á hæð. Upphaflega átti torr að vera mælieining sem jafngilti einum millimetra af kvikasilfri, en það jafngildir því ekki lengur nákvæmlega. Þrýstingurinn sem vökvi beitir vegna þyngdaraflsins nefnist vökvaþrýstingur, p:

Þrýstimælir er tæki, svipað loftvog, sem nota má til að mæla þrýsting gass sem er lokað inni í íláti. Lokaður þrýstimælir er U-laga rör þar sem annar armurinn er lokaður en hinn tengdur gasinu sem á að mæla, og á milli er órokgjarn vökvi (venjulega kvikasilfur). Eins og í loftvog er fjarlægðin milli vökvayfirborðanna í örmum rörsins (h á myndinni) í réttu hlutfalli við þrýsting gassins í ílátinu. Opinn þrýstimælir (mynd 9.5) er eins og lokaður þrýstimælir, nema annar armur hans er opinn út í andrúmsloftið. Í því tilviki samsvarar fjarlægðin milli vökvayfirborðanna þrýstingsmuninum á gasinu í ílátinu og andrúmsloftinu.