Áp suất tuyệt đối là gì? Áp suất tương đối là gì? Công thức tính và ứng dụng

Áp suất là một trong những đại lượng vật lý cơ bản nhưng vô cùng quan trọng, đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực từ khoa học, kỹ thuật cho đến đời sống hàng ngày. Từ việc kiểm tra áp suất lốp xe, vận hành máy móc công nghiệp khổng lồ, cho đến nghiên cứu các hiện tượng vật lý phức tạp trong môi trường chân không, hiểu rõ về áp suất là điều không thể thiếu. Tuy nhiên, không phải tất cả các loại áp suất đều giống nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu về hai khái niệm quan trọng: áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối, cùng với những ứng dụng thực tiễn của chúng.

1 Giới thiệu tổng quan về Áp suất

Định nghĩa chung về áp suất

Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích bề mặt. Nói một cách đơn giản, nó cho chúng ta biết một lực được phân bổ như thế nào trên một bề mặt cụ thể. Đơn vị đo áp suất trong Hệ đo lường quốc tế (SI) là Pascal (Pa), được đặt theo tên nhà khoa học Blaise Pascal. Một Pascal tương đương với một Newton trên một mét vuông (1Pa=1N/m2).

Ngoài Pascal, còn có nhiều đơn vị áp suất khác được sử dụng phổ biến tùy theo khu vực và ngành nghề, chẳng hạn như:

• Bar: Một đơn vị thường dùng trong công nghiệp, 1 bar=100.000 Pa.
• PSI (Pound per Square Inch): Phổ biến ở các quốc gia sử dụng hệ đo lường Anh, Mỹ.
• Atmosphere (atm): Áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển.
• mmHg (milimét thủy ngân): Thường dùng trong y tế (đo huyết áp) hoặc các ứng dụng chân không.

1.2 Tầm quan trọng của việc đo lường áp suất

Việc đo lường và kiểm soát áp suất là cực kỳ quan trọng vì nhiều lý do:

• An toàn: Trong các hệ thống công nghiệp như nồi hơi, bình chứa khí nén, đường ống dẫn dầu khí, việc kiểm soát áp suất giúp ngăn ngừa các sự cố nguy hiểm như nổ, rò rỉ.
• Hiệu suất: Áp suất là yếu tố quyết định hiệu suất của nhiều thiết bị và quy trình, từ động cơ đốt trong, máy bơm, đến hệ thống thủy lực.
• Chất lượng sản phẩm: Trong các ngành như dược phẩm, thực phẩm, hóa chất, việc duy trì áp suất ổn định và chính xác là cần thiết để đảm bảo chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm.
• Nghiên cứu và phát triển: Trong khoa học, áp suất là một thông số quan trọng để nghiên cứu các tính chất của vật liệu, phản ứng hóa học và hiện tượng vật lý.

1.3 Các loại áp suất phổ biến

Trong thực tế, chúng ta thường gặp ba loại áp suất chính dựa trên điểm tham chiếu của chúng:

• Áp suất tuyệt đối (Absolute Pressure): Áp suất được đo so với chân không hoàn hảo.
• Áp suất tương đối (Gauge Pressure): Áp suất được đo so với áp suất khí quyển xung quanh.
• Áp suất chênh lệch (Differential Pressure): Sự khác biệt giữa hai áp suất tại hai điểm khác nhau.

Bài viết này sẽ tập trung làm rõ hai loại áp suất đầu tiên: áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối.

2 Áp suất tuyệt đối là gì?

2.1 Định nghĩa

Áp suất tuyệt đối là áp suất được đo so với một điểm tham chiếu cố định và không đổi: đó là chân không hoàn hảo (hay còn gọi là chân không tuyệt đối). Chân không hoàn hảo là một trạng thái lý tưởng trong không gian không có bất kỳ hạt vật chất nào, và do đó, không có áp suất. Điểm này được coi là “điểm 0” tuyệt đối của áp suất.

Khi nói đến áp suất tuyệt đối, chúng ta đang đề cập đến tổng áp suất thực tế tại một điểm, bao gồm cả áp suất của môi trường xung quanh (áp suất khí quyển) và áp suất của hệ thống đang được đo. Ký hiệu thường dùng cho áp suất tuyệt đối là Pabs.

2.2 Công thức tính áp suất tuyệt đối

Mối quan hệ giữa áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất khí quyển được thể hiện qua công thức sau:

Áp suất tuyệt đối (Pabs​):

Là tổng áp suất đo được so với chân không hoàn toàn (áp suất 0 tuyệt đối).

Áp suất tuyệt đối luôn có giá trị dương hoặc bằng 0 (trong trường hợp chân không tuyệt đối).

Áp suất tương đối (Pgauge​) hay Áp suất dư:

Là giá trị áp suất được đo bởi hầu hết các loại đồng hồ đo áp suất (ví dụ: đồng hồ đo lốp xe, đồng hồ đo áp suất trong bình khí nén).

Giá trị này là áp suất chênh lệch so với áp suất khí quyển tại vị trí đo.

Nếu áp suất trong hệ thống cao hơn áp suất khí quyển, Pgauge​ sẽ có giá trị dương.

Nếu áp suất trong hệ thống thấp hơn áp suất khí quyển (chân không tương đối), Pgauge​ sẽ có giá trị âm.

Áp suất khí quyển (Patm​):

Là áp suất do khối lượng không khí trong bầu khí quyển Trái Đất tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt.

Áp suất khí quyển thay đổi tùy theo độ cao, nhiệt độ và điều kiện thời tiết.

2.3 Lưu ý

• Giá trị luôn dương: Áp suất tuyệt đối luôn có giá trị dương, trừ trường hợp lý tưởng của chân không hoàn hảo (khi đó áp suất tuyệt đối bằng 0). Điều này là do không thể có áp suất âm so với chân không tuyệt đối.
• Độ chính xác cao: Áp suất tuyệt đối cung cấp một phép đo chính xác và không bị ảnh hưởng bởi sự biến động của áp suất khí quyển. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao hoặc khi áp suất khí quyển thay đổi đáng kể.
• Quan trọng trong môi trường chân không: Khi làm việc với các hệ thống chân không, áp suất tuyệt đối là đại lượng duy nhất có ý nghĩa để đánh giá mức độ chân không đạt được.

3. Áp suất tương đối là gì?

3.1 Định nghĩa

Áp suất tương đối là áp suất được đo so với áp suất khí quyển xung quanh. Đây là loại áp suất phổ biến nhất mà chúng ta thường gặp trong đời sống hàng ngày và trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Khi một đồng hồ đo áp suất (áp kế) hiển thị giá trị, đó chính là áp suất tương đối.

Điểm tham chiếu “0” của áp suất tương đối là áp suất khí quyển tại vị trí đo. Điều này có nghĩa là nếu đồng hồ đo áp suất hiển thị 0, thì áp suất bên trong hệ thống bằng với áp suất khí quyển bên ngoài.

• Nếu áp suất tương đối có giá trị dương, điều đó có nghĩa là áp suất bên trong hệ thống cao hơn áp suất khí quyển.
• Nếu áp suất tương đối có giá trị âm, điều đó cho thấy áp suất bên trong hệ thống thấp hơn áp suất khí quyển (tức là trạng thái chân không tương đối).

Áp suất tương đối còn được gọi là áp suất dư (gauge pressure) hoặc áp suất đồng hồ, thường được ký hiệu là Pe​ hoặc Pgauge​.

3.2 Công thức tính áp suất tương đối

Áp suất tương đối được tính bằng cách lấy áp suất tuyệt đối trừ đi áp suất khí quyển:

Áp suất tương đối (Pgauge​) là giá trị áp suất mà hầu hết các đồng hồ đo áp suất thông thường hiển thị. Nó biểu thị chênh lệch áp suất giữa một điểm cụ thể trong hệ thống (ví dụ: bên trong lốp xe, bình khí nén) và áp suất của môi trường xung quanh (áp suất khí quyển).

• Nếu Pgauge​ dương, nghĩa là áp suất trong hệ thống cao hơn áp suất khí quyển.
• Nếu Pgauge​ âm, nghĩa là áp suất trong hệ thống thấp hơn áp suất khí quyển (tức là có chân không tương đối).
• Nếu Pgauge​ bằng 0, nghĩa là áp suất trong hệ thống bằng với áp suất khí quyển.

Áp suất tuyệt đối (Pabs​) là áp suất được tính từ điểm “chân không hoàn toàn” (zero áp suất).

Áp suất khí quyển (Patm​) là áp suất do khối lượng không khí của bầu khí quyển tác dụng lên bề mặt Trái Đất. Giá trị này thay đổi tùy thuộc vào độ cao, thời tiết và nhiệt độ. Áp suất khí quyển tiêu chuẩn ở mực nước biển là khoảng 101.325 kPa (tức 1 atm hoặc 1.01325 bar).

4. So sánh Áp suất tuyệt đối và Áp suất tương đối

Để hiểu rõ hơn về sự khác biệt giữa hai loại áp suất này, chúng ta hãy cùng xem xét bảng so sánh chi tiết dưới đây:

Sự lựa chọn giữa áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Nếu bạn cần một phép đo không bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển hoặc đang làm việc với chân không, áp suất tuyệt đối là lựa chọn phù hợp. Ngược lại, nếu bạn chỉ quan tâm đến áp suất so với môi trường xung quanh, áp suất tương đối sẽ tiện lợi và phổ biến hơn.

5. Ứng dụng của Áp suất tuyệt đối và Áp suất tương đối trong thực tế

Cả áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối đều có những ứng dụng riêng biệt và quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống và công nghiệp.

5.1 Ứng dụng của Áp suất tuyệt đối

Áp suất tuyệt đối là yếu tố then chốt trong các môi trường mà áp suất khí quyển là không đáng kể hoặc cần được loại bỏ khỏi phép đo, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến chân không.

• Hệ thống chân không:
  • Sản xuất bán dẫn: Trong ngành công nghiệp bán dẫn, việc tạo ra và duy trì môi trường chân không cực cao là bắt buộc để sản xuất các vi mạch điện tử mà không bị nhiễm bẩn. Áp suất tuyệt đối được sử dụng để kiểm soát chính xác mức độ chân không.
  • Sản xuất dược phẩm và thực phẩm: Nhiều quy trình sản xuất dược phẩm và đóng gói thực phẩm (ví dụ: đóng gói chân không) yêu cầu môi trường chân không để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn, kéo dài thời hạn sử dụng và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
  • Mạ chân không và xử lý nhiệt: Các quy trình công nghiệp như mạ PVD (Physical Vapor Deposition) hoặc xử lý nhiệt trong môi trường chân không sử dụng áp suất tuyệt đối để kiểm soát quá trình lắng đọng vật liệu hoặc ngăn chặn quá trình oxy hóa.
• Hàng không vũ trụ:
  • Trong không gian, nơi không có áp suất khí quyển, mọi phép đo áp suất đều là áp suất tuyệt đối. Các thiết bị trên tàu vũ trụ, vệ tinh phải được thiết kế và kiểm tra dựa trên áp suất tuyệt đối để đảm bảo hoạt động chính xác trong môi trường khắc nghiệt này.
  • Đo áp suất trong cabin máy bay ở độ cao lớn cũng là một ví dụ về việc sử dụng áp suất tuyệt đối để duy trì môi trường an toàn cho hành khách.
• Nghiên cứu khoa học:
  • Trong các phòng thí nghiệm vật lý, hóa học, sinh học, nhiều thí nghiệm đòi hỏi điều kiện chân không nghiêm ngặt để nghiên cứu các tính chất của vật liệu, phản ứng hóa học hoặc hành vi của các hạt ở áp suất thấp. Áp suất tuyệt đối là thông số đo lường chính trong các nghiên cứu này.
• Công nghiệp hóa chất:
  • Kiểm soát áp suất trong các lò phản ứng hoặc quá trình chưng cất dưới áp suất thấp, nơi việc thay đổi áp suất khí quyển có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và an toàn của quá trình.

5.2 Ứng dụng của Áp suất tương đối

Áp suất tương đối là loại áp suất được sử dụng phổ biến nhất trong đời sống hàng ngày và trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, nơi mà điểm tham chiếu là áp suất khí quyển.

• Hệ thống thủy lực và khí nén:
  • Đo áp suất lốp xe: Đây là ví dụ điển hình nhất. Khi bạn bơm lốp xe, đồng hồ đo áp suất hiển thị giá trị áp suất bên trong lốp cao hơn áp suất không khí bên ngoài bao nhiêu.
  • Hệ thống phanh: Áp suất trong hệ thống phanh thủy lực của ô tô được đo bằng áp suất tương đối để đảm bảo lực phanh đủ mạnh.
  • Máy nén khí: Kiểm soát áp lực khí nén đầu ra để cung cấp năng lượng cho các công cụ khí nén (súng phun sơn, máy khoan hơi,…) và hệ thống tự động hóa.
• Hệ thống đường ống và bình chứa:
  • Đường ống dẫn nước, gas, dầu: Các đồng hồ đo áp suất trên đường ống giúp giám sát áp lực dòng chảy, phát hiện rò rỉ, tắc nghẽn hoặc tình trạng quá áp có thể gây vỡ ống.
  • Bình chứa chất lỏng/khí: Đảm bảo áp suất bên trong bình không vượt quá giới hạn an toàn thiết kế, tránh nguy cơ hư hỏng hoặc nổ.
• Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC):
  • Kiểm tra áp suất trong các ống dẫn khí, bình ga lạnh của hệ thống điều hòa để đảm bảo hiệu suất làm mát/sưởi ấm.
  • Giám sát áp suất trên các bộ lọc không khí để biết khi nào cần thay thế.
• Y tế:
  • Đo huyết áp: Máy đo huyết áp sử dụng nguyên lý áp suất tương đối để xác định áp lực máu trong động mạch của con người.
  • Máy thở: Kiểm soát áp suất khí được cung cấp cho bệnh nhân để đảm bảo hô hấp hiệu quả và an toàn.
• Công nghiệp sản xuất và chế biến:
  • Kiểm soát quy trình: Trong các nhà máy sản xuất, áp suất tương đối được sử dụng để kiểm soát nhiều quy trình như trộn, khuấy, lọc, chiết rót, đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng yêu cầu.
  • Máy bơm: Đo áp suất đầu vào và đầu ra của máy bơm để đánh giá hiệu suất, phát hiện tắc nghẽn hoặc hỏng hóc.

6. Kết luận

Áp suất là một đại lượng vật lý phức tạp với nhiều khía cạnh khác nhau, và việc phân biệt giữa áp suất tuyệt đối và áp suất tương đối là điều cốt yếu để hiểu đúng và ứng dụng hiệu quả trong mọi lĩnh vực.

Áp suất tuyệt đối cung cấp một phép đo chính xác và không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, với điểm tham chiếu là chân không hoàn hảo. Nó là lựa chọn không thể thiếu trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, đặc biệt là trong môi trường chân không hoặc khi áp suất khí quyển là một yếu tố cần được loại bỏ.

Ngược lại, áp suất tương đối là phép đo phổ biến hơn, cung cấp thông tin về sự chênh lệch áp suất so với áp suất khí quyển. Sự tiện lợi và tính trực quan của nó khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp và dân dụng, nơi mà sự chênh lệch áp suất so với môi trường xung quanh là điều quan trọng nhất.

Việc nắm vững định nghĩa, công thức và ứng dụng của từng loại áp suất không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về thế giới vật lý mà còn là nền tảng để vận hành an toàn, hiệu quả các hệ thống và thiết bị trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong các ngành công nghiệp tiên tiến. Quý vị có nhu cầu mua đồng hồ đo áp suất có thể liên hệ HCtech để được tư vấn nhé!

Xem thêm: Áp suất chất lỏng là gì