流體力學/流體靜力學/流體靜力學基礎
流體靜力平衡或流體靜力平衡是流體靜力學中研究的流體的定義條件。流體靜力平衡是指流體體積處於靜止或以恆定速度運動的條件。儘管流體中的單個分子彼此之間並不處於靜止狀態,但流體靜力平衡要求整個系統在某些慣性參考系中必須靜止。換句話說,處於流體靜力平衡的系統包含不加速的流體。

靜壓或簡稱為“壓力”是指垂直於表面的單位面積上施加的力。需要注意的是,此定義僅適用於靜止的流體(運動流體的動壓)。壓力的概念類似於固體力學中的“應力”。在數學上,壓力定義為
其中
- p 是靜壓
- F 是垂直於表面的力的分量
- A 是表面的面積
當力在某個區域上恆定時,作用在該區域上的壓力只是
壓力是一個標量,因此它在任何給定點上都朝各個方向作用。它就像一個比例常數,將向量面積元素與作用在其上的法向力相關聯,如
負號來自於力的方向被認為朝向表面元素,而法向量指向外部。為了使壓力產生力,壓力必須在某個區域上積分。
1971 年,壓力的 SI 單位被稱為帕斯卡(符號:Pa),等於 1 牛頓每平方米(N/m2 或 kg·m−1·s−2),以紀念法國物理學家布萊斯·帕斯卡。由於帕斯卡對於許多工程目的來說是一個相對較小的壓力值,因此千帕斯卡(1 kPa = 1,000 Pa)和兆帕斯卡(1 MPa = 1,000,000 Pa)通常被用作替代。巴(符號:bar)定義為 100 kPa,或 100,000 Pa,其數量級與大氣壓相同。但是,大氣壓最接近於標準大氣壓(符號:atm),定義為 101,325 Pa。
壓力的英文單位是磅每平方英寸(符號:psi,lbf/in2,或 lbf/sq in)。它是由作用於 1 平方英寸面積上的 1 磅力的作用力產生的壓力。1 psi 大約等於 6894.757 Pa。
另一個非 SI 壓力單位是託(符號:Torr),定義為 760 atm。託的值被選擇為大約等於1 毫米汞柱(符號:mmHg)產生的壓力。託是以義大利物理學家埃萬傑利斯塔·托里切利的名字命名的,他於 1643 年發現了汞氣壓計的用途。
由於一個壓力系統有可能對其周圍環境做功,因此壓力是儲存在單位體積內的勢能的量度。因此,它與能量密度相關,可以用焦耳每立方米(J/m3,等於 Pa)等單位表示。
以下是列出常用壓力單位之間轉換的表格。
| 帕斯卡 | 巴 | 標準大氣壓 | 託 | 磅每平方英寸 | |
|---|---|---|---|---|---|
| Pa | 巴 | atm | Torr | psi | |
| 1 Pa | ≡ 1 N/m2 | 10−5 | 9.8692×10−6 | 7.5006×10−3 | 145.04×10−6 |
| 1 bar | 105 | ≡ 105 Pa | 0.98692 | 750.06 | 14.5037744 |
| 1 at | 0.980665 ×105 | 0.980665 | 0.96784 | 735.56 | 14.223 |
| 1 atm | 1.01325 ×105 | 1.01325 | ≡ p0 | 760 | 14.696 |
| 1 Torr | 133.322 | 1.3332×10−3 | 1.3158×10−3 | ≈ 1 mmHg | 19.337×10−3 |
| 1 psi | 6.895×103 | 68.948×10−3 | 68.046×10−3 | 51.715 | ≡ 1 lbf/in2 |
絕對壓力以完全真空為參考點,因此等於表壓加上大氣壓。表壓以周圍空氣壓力為參考點,因此等於絕對壓力減去大氣壓。通常省略負號。
流體在重力作用下的壓力分佈由以下關係式給出
其中 dz 是重力場方向的變化(通常是垂直方向)。請注意,獲取任意場的對應關係也非常簡單,例如,由旋轉引起的偽場。
流體中的壓力向各個方向均勻作用。當流體與表面接觸時,由於壓力引起的力作用於表面的法線方向。作用在小面積 dA 上的力由 p dA 給出,其中力方向垂直於 dA。作用在面積 A 上的總力由所有這些無窮小力的向量和給出。
它是單位體積的質量之比。它用符號 rho ρ=質量/體積表示。它的 SI 單位是 kg/m3
在熱力學和流體力學中,壓縮性(也稱為壓縮係數或等溫壓縮係數)是衡量流體或固體對壓力(或平均應力)變化的相對體積變化的量度。