Che cos'è la pressione
La pressione p è definita come il quoziente tra l'intensità della forza F e l'area A. La forza è distribuita verticalmente su tutta la superficie. L'unità SI della pressione è il pascal (Pa).
Concetti di base
A che livello è la pressione?
La pressione è una delle grandezze fisiche più frequentemente misurate e controllate nella tecnologia dell'automazione. Essa influisce direttamente sullo svolgimento dei processi produttivi e industriali. Questo articolo illustra i fondamenti della pressione e della sua misurazione.
Indice
1 Pa=N/m²
Generazione della pressione: la forza F ha sempre una direzione (in questo caso: verticale) ed è quindi un vettore. La pressione p, invece, non ha direzione: è uno scalare. All’interno di un sistema chiuso, ad esempio un accumulatore di pressione, la pressione agisce sempre in modo uniforme in direzione verticale su tutte le superfici. In pratica, ciò significa che la posizione di installazione del trasmettitore di pressione e della membrana può essere scelta a caso. Ad esempio, la pressione nell'accumulatore di un compressore può essere misurata installando il trasmettitore di pressione sul lato superiore del contenitore con la membrana rivolta verso il basso.
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Fig. 1: Definition of pressure
m
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Se si applica una forza di 100 g su una superficie di 1 m² (F = 0,1 g × 10 m/s² = 1 N), si ottiene una pressione di 1 Pa.* L'unità comunemente utilizzata in Europa per le pressioni più elevate è il bar (bar). Come si evince dal calcolo, il pascal (Pa) è un'unità troppo piccola per la maggior parte delle applicazioni tecniche.
1 bar = 105 N/m² = 100 000 Pa
*Nota: per i calcoli riportati in questa pagina non è stato utilizzato il valore esatto dell'accelerazione di gravità g = 9,81 m/s². È stato invece utilizzato un valore arrotondato pari a 10 m/s².
1 mmHg = 133,322 Pa
Qual è la formula per calcolare la pressione di un liquido o di un gas?
Secondo la definizione, se una forza di gravità F = 1 N (dove 1 N è il prodotto della massa m = 100 g e dell'accelerazione di gravità g = 10 m/s²) agisce su una data superficie A = 1 m², la pressione è pari a 1 Pa.
Formula e unità di misura della pressione: p = F/S, dove: p - pressione [Pa] F - forza [N] S - superficie [m²].
È possibile utilizzare la formula sopra riportata per calcolare la pressione se si conosce la massa dell'oggetto o del fluido da analizzare. Ma cosa succede se occorre calcolare la pressione sul fondo di un grande recipiente, come ad esempio una piscina? In questo caso, è impossibile determinare la massa totale dell'acqua. Utilizzando una formula, è possibile determinare la pressione sul fondo del recipiente basandosi esclusivamente sulla densità e sull'altezza della colonna del fluido:
Formula della pressione: p = ρgh + p0, dove: ρ - Densità del fluido [kg/m³] g - Accelerazione di gravità [m/s²] h - Altezza della colonna di liquido [m].
*Nota: in questo caso non è stato utilizzato il valore esatto dell'accelerazione di gravità g = 9,81 m/s². È stato invece utilizzato un valore arrotondato pari a 10 m/s².
Tipi di pressione fisica
Pressione assoluta
Il punto zero della scala di pressione assoluta è il vuoto. Pertanto, i valori di pressione assoluta vengono sempre misurati rispetto a esso. Un esempio è la pressione atmosferica, che viene sempre indicata come pressione assoluta.
Pressione relativa
Quando si misura la pressione relativa, il valore di riferimento è quello della pressione ambiente. Nelle applicazioni industriali, la pressione all'interno delle apparecchiature viene spesso specificata in forma relativa, ovvero in relazione alla pressione atmosferica. In questo caso, la pressione effettiva è data dalla somma della pressione relativa (come si verifica nel processo) e della pressione ambiente (atmosferica). Nell'industria, tuttavia, non è raro che i processi avvengano a pressioni molte volte superiori alla pressione atmosferica. In tali casi, la pressione ambiente non viene presa in considerazione.
Pressione statica e dinamica nei liquidi
La pressione statica è la pressione esercitata da un gas o da un liquido a riposo, ad esempio all’interno di un recipiente chiuso. In questo caso, per determinare la pressione è sufficiente conoscere la forza esercitata dal fluido su una data superficie. Se invece il fluido è in movimento, ad esempio all’interno di una tubazione, si parla di pressione dinamica. Per definizione, la pressione dinamica può essere descritta come la pressione esercitata da un liquido o da un gas in movimento sulla superficie di un corpo perpendicolare al fluido in movimento. Questa pressione deriva dall'energia cinetica delle particelle in movimento.
Pressione differenziale
La pressione differenziale è il risultato del confronto tra due valori di pressione assoluta ed è indicata con la differenza di pressione Δp. Viene spesso utilizzata nelle applicazioni ingegneristiche a fini di controllo. Ad esempio, la differenza di pressione tra il fondo di un recipiente contenente un liquido e la superficie del liquido stesso fornisce informazioni sull'altezza della colonna di liquido. Un misuratore di pressione differenziale, come un trasmettitore di pressione differenziale, effettua misurazioni della pressione in due punti di misurazione.
Pressione idrostatica
La pressione idrostatica si manifesta in un fluido a riposo. Dipende dall'altezza della colonna di liquido h, dalla sua densità ρ e dall'accelerazione di gravità g. Maggiore è l'altezza della colonna d'acqua, maggiore è la pressione. Ad esempio, più un subacqueo si immerge in profondità in un lago, maggiore è la pressione idrostatica che agisce su di lui.