Gradien tekanan: apa itu dan bagaimana cara menghitungnya?

Gradien tekanan terdiri dari variasi atau perbedaan tekanan dalam arah tertentu, yang dapat terjadi di dalam atau di perbatasan cairan. Pada gilirannya, tekanan adalah gaya per satuan luas yang diberikan oleh fluida (cair atau gas) pada dinding atau batas yang menampungnya.

Misalnya, dalam kolam berisi air ada gradien tekanan positif dalam arah vertikal ke bawah, karena tekanan meningkat dengan kedalaman. Setiap meter (atau sentimeter, kaki, inci) kedalaman, tekanan tumbuh secara linier.

Dalam ekstraksi minyak, gradien tekanan adalah kuantitas yang sangat penting. Sumber: pixabay.com

Namun, di semua titik yang terletak pada level yang sama, tekanannya sama. Oleh karena itu, di kolam renang gradien tekanan adalah nol (nol) dalam arah horizontal.

Dalam industri minyak, gradien tekanan sangat penting. Jika tekanan di dasar lubang lebih tinggi daripada di permukaan, maka oli akan mudah keluar. Jika tidak, perbedaan tekanan harus dibuat secara artifisial, baik dengan memompa atau menyuntikkan uap.

Fluida dan sifatnya yang menarik

Fluida adalah bahan yang struktur molekulnya memungkinkan untuk mengalir. Ikatan yang menahan molekul-molekul cairan bersama-sama tidak sekuat dalam kasus padatan. Hal ini memungkinkan mereka untuk melawan resistensi yang lebih kecil terhadap traksi dan oleh karena itu mereka mengalir.

Keadaan ini dapat dipahami dengan mengamati bahwa padatan mempertahankan bentuk yang tetap, sedangkan fluida, sebagaimana telah disebutkan, mengadopsi ke tingkat yang lebih besar atau lebih kecil dari wadah yang berisi mereka.

Gas dan cairan dianggap cairan karena berperilaku seperti ini. Sebuah gas memuai sepenuhnya untuk mengisi volume wadah.

Cairan, di sisi lain, tidak mencapai sebanyak itu, karena mereka memiliki volume tertentu. Perbedaannya adalah cairan dapat dianggap tidak dapat dimampatkan, sedangkan gas tidak bisa.

Di bawah tekanan, gas kompres dan beradaptasi dengan mudah, menempati semua volume yang tersedia. Ketika tekanan meningkat, volumenya berkurang. Dalam kasus cairan, kerapatannya – yang diberikan oleh rasio antara massa dan volumenya – tetap konstan pada berbagai tekanan dan suhu.

Batasan terakhir ini penting karena pada kenyataannya, hampir semua zat dapat berperilaku seperti fluida dalam kondisi suhu dan tekanan ekstrim tertentu.

Di bagian dalam bumi di mana kondisinya dapat dianggap ekstrem, batuan yang akan padat di permukaan, meleleh menjadi magma dan dapat mengalir ke permukaan, dalam bentuk lava.

Perhitungan tekanan

Untuk menemukan tekanan yang diberikan oleh kolom air atau cairan lain, di lantai wadah, cairan akan dianggap memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

  • Kepadatannya konstan
  • Tidak bisa dimampatkan
  • Dalam kondisi keseimbangan statis (istirahat)

Sebuah kolom cairan dalam kondisi ini memberikan gaya di bagian bawah wadah yang berisi itu. Gaya ini setara dengan beratnya W :

W = mg

Sekarang, densitas fluida, yang seperti dijelaskan di atas adalah hasil bagi antara massanya m dan volumenya V, adalah:

= m / V

Massa jenis biasanya diukur dalam kilogram / meter kubik (kg / m 3 ) atau pound per galon (ppg)

Dengan mengganti ekspresi kepadatan dalam persamaan berat, menjadi:

W = Vg

Tekanan hidrostatik P didefinisikan sebagai hasil bagi antara gaya yang bekerja tegak lurus pada permukaan dan luasnya A:

Tekanan = Gaya / Luas

Substitusikan volume kolom fluida V = luas alas x tinggi kolom = Az, persamaan tekanan menjadi:

Tekanan adalah besaran skalar, yang satuannya dalam sistem pengukuran internasional adalah Newton / meter 2 atau Pascals (Pa). Unit sistem Inggris banyak digunakan, terutama di industri minyak – pound per inci persegi (psi).

Persamaan di atas menunjukkan bahwa zat cair yang lebih padat akan memberikan tekanan yang lebih besar. Dan bahwa tekanannya lebih besar, semakin kecil permukaan tempat tekanan itu diberikan.

Dengan mensubstitusi volume kolom fluida V = luas alas x tinggi kolom = Az, persamaan tekanan disederhanakan:

Persamaan di atas menunjukkan bahwa zat cair yang lebih padat akan memberikan tekanan yang lebih besar. Dan bahwa tekanannya lebih besar, semakin kecil permukaan tempat tekanan itu diberikan.

Bagaimana cara menghitung gradien tekanan?

Persamaan P = gz menunjukkan bahwa tekanan P kolom fluida meningkat secara linier dengan kedalaman z. Oleh karena itu, variasi P dalam tekanan akan berhubungan dengan variasi kedalaman z sebagai berikut:

P = gΔz

Mendefinisikan kuantitas baru yang disebut berat jenis fluida, diberikan oleh:

= g

Berat jenis datang dalam satuan Newton / volume atau N / m 3 . Dengan ini, persamaan untuk variasi tekanan tetap:

ΔP = γ Δz

Yang ditulis ulang sebagai:

Ini adalah gradien tekanan. Sekarang kita melihat bahwa dalam kondisi statis, gradien tekanan fluida adalah konstan dan sama dengan berat jenisnya.

Satuan gradien tekanan sama dengan berat jenis, tetapi dapat ditulis ulang sebagai Pascal / meter dalam Sistem Internasional. Sekarang mungkin untuk memvisualisasikan interpretasi gradien sebagai perubahan tekanan per satuan panjang, seperti yang didefinisikan di awal.

Berat jenis air pada suhu 20 C adalah 9,8 kiloPascal / m atau 9800 Pa / m. Ini berarti bahwa:

“Untuk setiap meter yang diturunkan di kolom air, tekanan meningkat sebesar 9800 Pa”

Faktor konversi densitas

Satuan sistem bahasa Inggris banyak digunakan dalam industri perminyakan. Dalam sistem ini satuan gradien tekanan adalah psi / ft atau psi / ft. Unit nyaman lainnya adalah bar / meter. Pound per galon atau ppg banyak digunakan untuk kepadatan.

Nilai densitas dan berat jenis dari setiap cairan telah ditentukan secara eksperimental untuk berbagai kondisi suhu dan tekanan. Mereka tersedia dalam tabel nilai

Untuk menemukan nilai numerik dari gradien tekanan antara sistem unit yang berbeda, seseorang harus menggunakan faktor konversi yang mengarah dari densitas langsung ke gradien.

Faktor konversi 0,052 digunakan dalam industri minyak untuk beralih dari densitas dalam ppg ke gradien tekanan dalam psi / ft. Dengan cara ini, gradien tekanan dihitung seperti ini:

GP = faktor konversi x densitas = 0,052 x densitas ppg

Misalnya, untuk air tawar gradien tekanannya adalah 0,433 psi / ft. Nilai 0,052 diperoleh dengan menggunakan kubus yang sisinya berukuran 1 kaki. Untuk mengisi ember ini membutuhkan 7,48 galon cairan.

Jika massa jenis fluida ini adalah 1 ppg, berat total kubus akan menjadi gaya 7,48 pon dan berat jenisnya akan menjadi 7,48 lb / ft 3 .

Sekarang dalam 1 kaki 2 ada 144 inci persegi, jadi dalam 1 kaki 3 akan ada 144 inci persegi untuk setiap kaki panjangnya. Pembagian 7,48 / 144 = 0,051944, yaitu kira-kira 0,052.

Misalnya, jika Anda memiliki cairan yang densitasnya 13,3 ppg, gradien tekanannya adalah: 13,3 x 0,052 psi / ft = 0,6916 psi / ft.

Referensi

  1. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Jilid 2. Meksiko. Cengage Learning Editor. 367-372.
  2. Buku Pedoman Sekolah Kontrol Sumur. Bab 01 Prinsip-prinsip tekanan.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan