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流體力學/流體靜力學/流體靜力學基礎

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流體靜力平衡

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流體靜力平衡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。

此圖顯示了封閉容器內粒子碰撞產生的壓力。施加壓力的碰撞以紅色突出顯示。

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。

壓力的單位

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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。(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(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。

壓力單位
帕斯卡 標準大氣壓 磅每平方英寸
Pa 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


絕對壓力和表壓

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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。

流體靜力學

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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。

質量密度

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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

壓縮性

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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。

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