Paine

Paine (tunnus p) on suure, joka ilmaisee pinta-alayksikköön kohdistuvaa kohtisuoraa voimaa. Matemaattisesti paine $p$ ilmaistaan muodossa

Painetta voi hyödyntää monin tavoin.

$p={\frac {F}{A}}$,

missä $F$ on voima ja $A$ pinta-ala.

Nesteille hydrostaattinen paine aiheutuu painovoiman kohdistumisesta nesteeseen. Hydrostaattinen paine $p$ voidaan merkitä muodossa

$p=\rho gh$,

missä $\rho$ on nesteen tiheys, $g\approx 9.81N/kg$ on putoamiskiihtyvyys ja $h$ on nesteen syvyys metreinä.

Yksiköt

SI-järjestelmässä paineen yksikkö on newton neliömetriä kohti (1 N/m²), jolla on nimi pascal (Pa). Sen kerrannaisista käytetään varsinkin ilmatieteessä yleisimmin hehtopascalia (hPa), joka on 100 pascalia.

Pascalin ohella paineelle on varsinkin aikaisemmin käytetty myös seuraavia yksiköitä:

• baari (1 bar = 100 000 Pa), ilmanpaineen yleisesti käytetty yksikkö, ilmanpaine meren pinnan tasolla on lähellä 1 bar (1 millibaari = 1 hehtopascal, käytetään ilmanpaineen yksikkönä).
• elohopeamillimetri eli millimetri elohopeapatsasta (1 mmHg = 133,322 Pa ), jota aikoinaan käytettiin myös ilmanpaineen yksikkönä, nykyisin vain verenpainemittauksessa
• torri, joka on käytännössä sama kuin elohopeamillimetri
• millimetri vesipatsasta (1 mm H₂O = 1 mm vp = 9,806 65 Pa )
• normaali-ilmakehä eli normaali ilmanpaine maan pinnalla (1 atm = 101,325 kPa = 1013,25 hPa, mikä vastaa 760 mmHg.)
• psi (Paunaa /neliötuuma (engl. Pounds per Square Inch) on vanha angloamerikkalaisissa maissa käytetty paineen yksikkö. 1 psi on ≈ 6,89476 kPa eli 0,0689476 bar.)
• tekninen ilmakehä (at) eli kilopondi neliösenttimetriä kohti (kp/cm², usein erheellisesti kilogramma neliösenttimetriä kohti, kg/cm²) on vanhentunut teknisen järjestelmän mittayksikkö, joka vastaa karkeasti yhtä baaria. Tarkasti 1 at = 1 kp/cm² = 98,0665 kPa.

Yksiköiden vastaavuus karkeasti käytännön mittauksissa:

1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa = 1 000 hPa

1 bar ≈ 1 at = 1 kp/cm² (vastaa 10 000 mmvp)

1 bar ≈ 1 atm (vastaa 760 mmHg)

1 bar ≈ 750 mmHg

1 bar ≈ 14,5 psi

Paineen olemus

Kineettisen kaasuteorian mukaan kaasun paineen synty aiheutuu hiukkasten (atomit, molekyylit yms.) törmäilystä pintaan. Törmätessään ne antavat pintaan liikemääräimpulssin, jonka ansiosta kappale alkaisi liikkua partikkeleista poispäin. Esimerkiksi ilmakehässä oleva esine ei lähde liikkumaan mihinkään suuntaan, koska sen joka puolella on ilmamolekyylejä, jotka kaikki tönivät sitä poispäin ja kumoavat toistensa vaikutuksen.

Jos tämän ilmakehässä olevan kappaleen sisällä ei olisi ilmamolekyylejä niin tiheästi kuin sen ympärillä, ei sisällä olevien molekyylien kappaleen seinämien sisäpintoihin aiheuttama paine pystyisi kumoamaan ulkopuolella olevien ilmamolekyylien aiheuttamaa painetta, jolloin kappale puristuisi kasaan, jos seinämät eivät kestäisi paine-eron aiheuttamaa voimaa.

Ylipaine ja alipaine

Jokapäiväisessä kielenkäytössä paineella tarkoitetaan toisinaan ylipainetta tai alipainetta, eli erotusta ympäröivän ilmakehän paineeseen. Monet paineen mittausmenetelmät, kuten U-putki, mittaavat juuri tätä erotusta. Mm. autonrenkaiden paine ilmoitetaan ja mitataan edelleen säännöllisesti ylipaineena. Nk. absoluuttista painetta voidaan tarvittaessa merkitä mittayksikön alaviitteellä ”abs”.

Ylipaine

Ylipaine tarkoittaa kohteen suurempaa painetta verrattuna ympäristöön. Kohde voi olla eristetty ympäristöstään, jolloin ylipaine säilyy. Esimerkiksi kaasupullossa voidaan säilyttää kaasua ylipaineessa. Tällöin kaasu vie pienemmän tilan kuin normaalipaineessa. Ylipaineventtiili (yleinen nimitys myös varoventtiili) avautuu, kun suljetun tilan paine kohoaa säädetyn rajan yli verrattuna ulkoiseen paineeseen.

Eristämätöntä ylipainetta voi olla kaasuvirtauksissa. Rajaamaton ylipaine pyrkii normalisoitumaan siten, että kohteesta virtaa ympäristöön kaasua kunnes erot tasoittuvat (saturaatio).

Lääketieteessä tunnetaan ylipainehengitys vaativana tehohoitomuotona.

Alipaine

Alipaine tarkoittaa kohteen pienempää painetta verrattuna ympäristöön. Kohde voi olla eristetty ympäristöstään, jolloin alipaine säilyy. Eristämätöntä alipainetta voi olla kaasuvirtauksissa. Rajaamaton alipaine pyrkii normalisoitumaan siten, että ympäristöstä virtaa kaasua kunnes erot tasoittuvat (saturaatio).

Alipaineventtiili on tekninen turvalaite, joka avautuu, kun suljetun tilan paine laskee säädetyn rajan alle verrattuna ulkoiseen paineeseen.

Putkiposti toimii alipaineella.

Kokonaispaine

Fluidin kokonaispaine saadaan seuraavasti:

$p_{\rm {kok}}={\frac {1}{2}}\rho v^{2}+p_{\rm {staattinen}}$,

missä:

$p_{\rm {kok}}$ kokonaispaine, pascal

$\rho$ on fluidin tiheys, kg/m³

$v$ on fluidin nopeus, m·s^-1

$p_{\rm {staattinen}}$ on staattinen paine, pascal

Dynaaminen paine

Dynaaminen paine (joskus myös patopaine ) on fluidin liikkeestä johtuva paine.

$q\ =\ {\frac {1}{2}}\rho v^{2}$,

missä:

$q$ = dynaaminen paine, pascal

$\rho$ = fluidin tiheys, kg/m³

$v$ = fluidin nopeus, m/s

Staattinen paine

Staattinen paine on paine, jonka fluidi kohdistaa ollessaan paikallaan.

Paineen mittaaminen

Pääartikkeli: Painemittari

On olemassa monia painemittarien eli manometrien toimintaperiaatteita: esimerkiksi U-putki, paineputkimanometri ja pietsokidepaineanturi.

Erilaisia paineen mittaamiseen tarkoitettuja laitteita ovat mm. verenpainemittari, rengaspainemittari ja ilmapuntari.

Katso myös

• Daltonin osapainelaki
• Hydrostaattinen paine
• Kineettinen kaasuteoria

Aiheesta muualla

• Paineen mittaus, MIKES 2011