圧力

圧力
pressure
量記号 P
次元 L -1 M T -2
種類 2階テンソル
SI単位 パスカル (Pa)
CGS単位 バール (bar)
FPS単位 パウンダル平方インチ (pdl/sq in)
MKS重力単位 重量キログラム毎平方メートル (kgf/m2)
CGS重力単位 重量グラム毎平方センチメートル (gf/cm2)
FPS重力単位 重量ポンド毎平方インチ (psi)

圧力(あつりょく、: pressure)とは、

  • 物体表面あるいは内部の任意のに向かい垂直に押すのこと[1]
  • (比喩)人を威圧して従わせようとする力のこと[2]

概説

圧力の大きさを表す場合は、単位面積あたりに働く力で表わし[1]国際単位系における圧力の単位は、パスカルである。

P = F / S、すなわち 1 Pa = 1 N/m2 である。

また歴史的には、水銀柱の(水銀面の)高さバールなどでも表している。

粒子論的、分子運動論的なモデルで圧力の発生のしくみを表現した図。容器内に気体や液体がある場合に、その多数の分子が高速で容器内を運動、壁面に衝突し跳ね返り、分子の運動方向が変わった分壁面に対して垂直な、押しこむ方向のが生じる、ということが非常に多数起きている、と考える。

静止している流体内の1点で働く圧力は方向によらず一定であり、これを「静水圧」と言う[1]

圧力には、絶対真空(絶対零圧力)を基準(ゼロ)とする絶対圧と、大気圧を基準(ゼロ)とするゲージ圧(相対圧)とがある。

圧力計

ブルドン管圧力計の表示板

圧力を測定する装置を「圧力計」(英:pressure meter、pressure gauge)といい、次のようなものが代表的である。また、圧力計は液位計としても利用される。

ブルドン管圧力計
ブルドン管弾性変形を用いて測定する。
ダイヤフラム圧力計
流体とブルドン管圧力計との間にダイアフラムを設け、受圧部とブルドン 管の間に封入液を充満して圧力の伝達媒体としたもの。

圧力に関する現象

圧力をかけたり変化させたりすることで、以下のような性質を示す物質がある。

沸点融点の変化
相図
結晶構造の変化
圧力によって物質の構造が変化する物質がある。→ 構造相転移
電荷の発生、電気抵抗の変化
圧力を加えることで物体の表面に電荷が生じたり(圧電効果)、電気抵抗が変化したりする。圧電素子はガスレンジの着火装置などに利用される。
磁化の変化
圧力によって磁化の強さが変化する。→ ビラリ現象

分子運動論での圧力の求め方

ビリアルの定理から求める。圧力Pは、

で求まる。上式で、は統計的な平均、右辺()内第一項は、粒子の全運動エネルギーの和、第二項は粒子間に働く力(= )と粒子の座標との積の和である。iは粒子の指標。 mi は粒子の質量。は粒子の座標の位置ベクトルは適当なポテンシャル。 V は系の体積。

バンド計算での圧力の求め方

熱力学の知識から[3]、平衡状態であれば、系の全エネルギーの体積微分が、圧力(静水圧)である。歪に対する微分がストレスになる。圧力Pの表式は(Vを系の体積として)、

: 系の全エネルギー

となる。バンド計算でのより具体的な圧力(ストレス)の求め方は、ニールセンとマーティンによる論文[4][5]が参考になる。

超高圧の実験

超高圧実験装置にはプレス型とダイヤモンドアンビルセルを使ったものとに二分できる。

プレス型は、ピストンシリンダーなどを使って生じた圧力を油圧(直接加圧する場合もあり)で伝達して試料を押す。発生可能な圧力の大まかな目安は数万気圧(数GPa)である。比較的広い圧力発生空間を確保することができ、多彩な物性測定実験が可能となっている。

ダイヤモンドアンビルセル(Diamond Anvil Cell: DAC)は、天然または人工合成のダイヤモンドを使って超高圧を実現するもので、小型(手のひらサイズ)で、透明(光学的な観測が可能)であり、サブテラパスカル(数百万気圧、数百GPa)までの加圧が可能である。一方、ダイヤモンドそのものが大型化できないので、試料は大変小さなものにしなければならない。ダイヤモンド以外に、サファイア炭化ケイ素を使ったアンビルセルもあるが、加圧できる圧力はダイヤモンドよりも劣る。

上記の高圧実験は通常、静水圧が前提であるが、動的に圧力を加える実験として衝撃圧縮実験がある。

他に非等方的な圧力実験の試みもある。

比喩

「圧力」は、比喩的に、人を威圧して従わせようとする力も指すことがある。

  • 圧力団体 - 自分らの利権のためにさまざまな手法を用いて他の人々を威圧するような団体を指してこう呼ぶこともある。
  • 脅し恐怖政治

脚注

  1. ブリタニカ国際百科事典【圧力】
  2. 広辞苑 第六版【圧力】
  3. 田崎晴明「熱力学=現代的な視点から」培風館 2000年
  4. O. H. Nielsen and R. M. Martin, Phys. Rev. B32 (1985) 3780.
  5. O. H. Nielsen and R. M. Martin, Phys. Rev. B32 (1985) 3792.

関連項目

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