Definicja i pomiar ciśnienia: ciśnienie atmosferyczne, barometr i manometr

Ciśnienie gazu jest spowodowane siłą wywieraną przez cząsteczki gazu zderzające się z powierzchniami obiektów. Chociaż siła każdego zderzenia jest bardzo mała, każda powierzchnia na znacznym obszarze doświadcza dużej liczby zderzeń w krótkim czasie, co może skutkować wysokim ciśnieniem.

Ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie definiuje się jako siłę wywieraną na dany obszar: 

Ciśnienie jest wprost proporcjonalne do siły i odwrotnie proporcjonalne do powierzchni. W ten sposób ciśnienie można zwiększyć albo poprzez zwiększenie siły, albo przez zmniejszenie obszaru, na który jest przyłożony; Ciśnienie można zmniejszyć, zmniejszając siłę lub zwiększając obszar.

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa), gdzie 1 Pa = 1 N/m², gdzie N jest niutonem, jednostką siły zdefiniowaną jako 1 kg·m/s². Jeden paskal to małe ciśnienie; w wielu przypadkach wygodniej jest używać jednostek kilopaskali (1 kPa = 1000 Pa) lub barów (1 bar = 100 000 Pa). Ciśnienie można również mierzyć za pomocą jednostki atmosfery (atm). 

Pomiar ciśnienia

Ciśnienie atmosferyczne, czyli siła wywierana przez atmosferę na powierzchnię ziemi, jest mierzona za pomocą barometru. Barometr to szklana rurka, która jest zamknięta na jednym końcu, wypełniona nielotną cieczą, taką jak rtęć, a następnie odwrócona i zanurzona w pojemniku z tą cieczą. Atmosfera wywiera ciśnienie na ciecz na zewnątrz rury, kolumna cieczy wywiera ciśnienie wewnątrz rury, a ciśnienie na powierzchni cieczy jest takie samo wewnątrz i na zewnątrz rury. Wysokość cieczy w rurze jest zatem proporcjonalna do ciśnienia wywieranego przez atmosferę.

W barometrze rtęć jest preferowanym wyborem w stosunku do wody, ponieważ jest 13,5 razy gęstsza niż woda. Ciśnienie atmosferyczne może utrzymać słup rtęci o wysokości zaledwie około 0,760 m, podczas gdy słup wody musiałby mieć 10,3 m wysokości. To sprawia, że kolumna rtęci jest wygodnym sposobem pomiaru ciśnienia.

Standardowe ciśnienie atmosferyczne wynoszące 1 atm na poziomie morza (101 325 Pa) odpowiada kolumnie rtęci o wysokości około 760 mm (29,92 cala). Ciśnienie wywierane przez płyn pod wpływem grawitacji jest znane jako ciśnienie hydrostatyczne, p:

gdzie h jest wysokością płynu, ρ jest gęstością płynu, a g jest przyspieszeniem grawitacyjnym.

Manometr to urządzenie służące do pomiaru ciśnienia gazu uwięzionego w pojemniku. Manometr z zamkniętym końcem to rurka w kształcie litery U z jednym zamkniętym ramieniem, jednym ramieniem, które łączy się z mierzonym gazem, a pomiędzy nimi znajduje się rtęć. Odległość między poziomami cieczy w dwóch ramionach rury, h, jest proporcjonalna do ciśnienia gazu w zbiorniku. W manometrze otwartym jedno ramię rurki jest otwarte na atmosferę. W tym przypadku odległość między poziomami cieczy odpowiada różnicy ciśnień między gazem w zbiorniku a atmosferą. 

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 9.1: Ciśnienie gazu.