La pression est la grandeur physique qui mesure la force exercée sur une unité de surface appliquée dans une direction perpendiculaire à celle-ci. Elle peut être calculée en divisant la force appliquée par la zone sur laquelle cette force est appliquée.
La formule mathématique pour calculer la pression est :
Pression = Force / Surface
Cette grandeur physique peut avoir des effets différents selon le contexte dans lequel elle est appliquée. Par exemple, en dynamique et en mécanique des fluides notamment, la pression est liée à des propriétés telles que la densité et la hauteur du fluide. De nombreux phénomènes physiques comme la flottation et le fonctionnement des fluides dans les canalisations et les systèmes hydrauliques dépendent de la pression.
Dans le domaine de l'énergie nucléaire, la pression dans un réacteur nucléaire est importante pour assurer un transfert thermique efficace, contrôler la réactivité, maintenir l'intégrité du système de confinement, assurer la sécurité et contribuer à l'efficacité énergétique.
Types de pression
Il existe les types suivants :
-
Pression hydrostatique : pression exercée par les liquides non comprimables sur les objets qui sont en contact avec eux.
-
Pression absolue : c'est la somme de la force par unité de surface d'un système donné et de celle de l'air qui l'entoure.
-
La pression manométrique (également appelée pression relative) est la différence entre la pression absolue (réelle) et atomique.
-
Pression atmosphérique : c'est la force par unité de surface que l'air exerce sur la surface de la Terre. Au niveau de la mer, 1 atm équivaut à 101325 Pa.
-
Artériel ou sang : quand on fait référence à la force que le sang exerce sur la surface interne des artères.
-
Osmotique : est la force exercée par unité de surface d'une solution contre une membrane semi-perméable fermée.
Unités de pression
L'unité de pression dans le système international d'unités est le pascal (Pa), en l'honneur de Blaise Pascal. Un pascal est la pression exercée par une force totale d'un newton agissant uniformément sur un mètre carré (Pa = N/m2).
Le Pascal (Pa) est une petite unité, et il est parfois pratique d'utiliser d'autres unités de mesure :
-
Millimètre de mercure (mmHg) : est une unité encore utilisée pour mesurer la pression en médecine, météorologie, aviation et équivaut à 133 322 387 415 Pa.
-
bar. L'utilisation de cette unité est acceptée au sein du SI bien qu'elle ne soit pas recommandée. Il est souvent utilisé car il a une valeur très proche de 1 atm. 1 barre = 100 000 Pa
-
Hectopascals (HPa) : Cette unité est utilisée en météorologie et équivaut à 100 Pa.
-
Atmosphère (atm) : L'atmosphère est une unité qui indique la pression produite par l'atmosphère terrestre en moyenne à la surface de la Terre.
-
Kiloponds par centimètre carré (kp /cm²) : Cette unité est utilisée en ingénierie. Le kilopond équivaut au poids d'une masse d'un kilogramme (9,8 N).
-
Livre de force par pouce carré (lbf/in²) : est une unité qui appartient au système anglo-saxon. Pour y faire référence, l'acronyme psi (pounds-force per square inch) est également utilisé.
Appareils de mesure de pression
En physique, la pression est mesurée à l’aide de divers instruments et techniques selon le système ou le phénomène étudié. Voici quelques exemples:
-
Manomètres : utilisés pour mesurer la pression dans les gaz et les liquides. Ces instruments mesurent la pression en fonction de la déformation d'un élément sensible à la pression ou en mesurant la hauteur d'une colonne de liquide en équilibre avec la pression.
-
Baromètres : Les baromètres sont des instruments spécialement conçus pour mesurer la pression atmosphérique.
-
Capteurs de pression : dans des applications plus avancées, des capteurs de pression électroniques sont utilisés pour convertir la pression en signal électrique.
-
Tubes en U : une extrémité du tube est connectée au système où la pression doit être mesurée, et l'autre extrémité est maintenue ouverte ou connectée à un point de référence connu. La différence de hauteur des fluides des deux côtés du tube en U permet de mesurer la différence de pression.
Pression dans les liquides, solides et gaz
La pression dans les liquides, les solides et les gaz se comporte différemment en raison des propriétés intrinsèques de chaque état de la matière, comme vous pouvez le voir ci-dessous :
Pression dans les liquides
Dans les liquides, la pression est transmise de manière isotrope, c'est-à-dire dans toutes les directions de manière égale selon le principe de Pascal.
La pression dans un liquide dépend de la profondeur à laquelle il se trouve et de la densité du liquide. À de plus grandes profondeurs, la pression augmente en raison du poids du liquide au-dessus. Cela est dû à la pression hydrostatique, qui est le résultat de la force exercée par le poids du liquide sur une surface donnée.
La pression hydrostatique est calculée à l'aide de la formule P = ρgh, où P est la pression, ρ est la densité du liquide, g est l'accélération due à la gravité et h est la hauteur ou la profondeur du liquide.
Pression dans les solides
Dans les solides, la pression se manifeste comme une force appliquée à une surface donnée. La pression dans un solide est le résultat de la répartition de la force sur la surface de contact.
À mesure que la force appliquée augmente, la pression augmente également. La pression dans les solides peut être calculée en divisant la force appliquée par la zone sur laquelle cette force est appliquée.
Pression dans les gaz
Dans les gaz, la pression est due aux collisions des molécules de gaz contre les parois du récipient qui les contient. Plus le nombre de molécules est grand ou plus l’énergie cinétique des molécules est grande, plus il y aura de collisions et donc plus la pression sera élevée.
La pression d'un gaz peut être calculée à l'aide de la loi des gaz parfaits, qui stipule que la pression est directement proportionnelle à la température absolue et au nombre de molécules présentes, et inversement proportionnelle au volume.
Cette loi s'exprime mathématiquement par P = nRT/V, où P est la pression, n est le nombre de moles de gaz, R est la constante des gaz parfaits, T est la température absolue et V est le volume du gaz.
Importance de la pression dans une centrale nucléaire
Dans un réacteur nucléaire, le contrôle de la pression permet de maintenir l’eau à l’état liquide à des températures supérieures à 100°C, son point d’ébullition normal à pression atmosphérique. Par exemple, dans un réacteur à eau sous pression (REP), l'eau peut être à une pression d'environ 155 bars (15,5 MPa), lui permettant d'atteindre des températures proches de 300°C sans bouillir.
La pression affecte également l’efficacité de la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique. Dans les générateurs de vapeur, l’eau à haute pression produit de la vapeur avec une énergie thermique plus élevée. Par exemple, dans une centrale nucléaire classique, de la vapeur peut être générée à une pression d'environ 70 bars (7 MPa), ce qui améliore les performances des turbines et augmente la production d'électricité.
Sécurité nucléaire
En outre, la pression est cruciale dans de nombreux aspects de l’exploitation des centrales nucléaires pour la sûreté des réacteurs. Ci-dessous, nous montrons deux exemples notables :
Premièrement, dans une centrale nucléaire, la pression est utilisée pour empêcher les particules radioactives de s’échapper vers l’extérieur. Le réacteur est contenu dans une structure robuste qui résiste à des pressions élevées, empêchant le rejet de matières radioactives en cas d'augmentation de pression. Les systèmes de refroidissement à haute pression maintiennent l’eau à l’état liquide à des températures élevées, empêchant sa conversion en vapeur et son éventuelle fuite.
Les systèmes de ventilation sont équipés de filtres à haute efficacité fonctionnant sous pression différentielle, capturant les particules radioactives avant qu'elles ne quittent l'usine. Dans certaines zones, une pression (dépression) plus faible est maintenue qu'à l'extérieur, garantissant ainsi la circulation de l'air en cas de fuite. De plus, les joints et joints des canalisations sont conçus pour résister à des pressions élevées et éviter les fuites de matières radioactives.
La pression sur les gens
Dans le contexte de la santé, la pression fait généralement référence à la pression artérielle, qui est la force exercée par le sang contre les parois des artères lorsque le cœur bat et se détend. La pression artérielle est exprimée par deux valeurs : la pression systolique et la pression diastolique.
- Pression systolique : C'est la première valeur enregistrée lors de la mesure de la pression artérielle et représente la pression dans les artères lorsque le cœur se contracte et pompe le sang vers le corps.
- Pression diastolique : C'est la deuxième valeur enregistrée et représente la pression dans les artères lorsque le cœur se détend entre les battements.
La pression artérielle est mesurée en millimètres de mercure (mmHg) et est exprimée sous forme de fraction, par exemple 120/80 mmHg. Le premier chiffre (la pression systolique) est plus élevé car il est mesuré lors de la contraction du cœur, tandis que le deuxième chiffre (la pression diastolique) est plus faible car il est mesuré lors de la relaxation du cœur.