Давление физика в чем измеряется: Давление — урок. Физика, 7 класс.

Измерение давления | Физика

Приборы для измерения давления, создаваемого жидкостями и газами, называют манометрами (от греч. манос – «редкий», «неплотный»). Рассмотрим устройство некоторых видов манометров.

На рис. 160 показан жидкостный манометр. Он представляет собой U-образную стеклянную трубку, частично наполненную жидкостью. Если давления над поверхностями жидкости в обоих коленах одинаковы, например равны атмосферному давлению pатм, то поверхности жидкостей установятся на одном уровне. Если же давление над поверхностью жидкости в левом колене увеличить (см. рис. 160, б), то ситуации изменится: уровень жидкости в левом колене опустится под действием давления воздуха p1 > pатм, а в правом колене – поднимется. При этом чем больше увеличится давление в левом колене, тем большей станет разность уровней жидкости в коленах манометра.

Пусть давление над поверхностью жидкости в левом колене равно p1, а в правом – pатм.

Высота левого столба жидкости – h1, а правого – h2. Применим формулу для расчета гидростатического давления в нижней точке A трубки манометра. Это давление можно вычислить двумя способами. Рассматривая жидкость в левом колене, получим: pA = p1 + ρ · g · h1; соответственно для правого колена: pA = pатм + ρ · g · h2.

Приравнивая эти выражения, получим:

p1 = pатм + ρ · g · (h2 – h1) = pатм + ρ · g · Δh

Таким образом, если известна плотность ρ жидкости, то, измеряя разность Δh высот столбов жидкости в коленах манометра, можно определить, на какую величину неизвестное давление p

1 отличается от атмосферного. Из полученной формулы следует, что если Δh > 0, т. е. h2 > h1, то измеряемое давление в левом колене больше атмосферного. Наоборот, если Δh < 0, т. е. h2 < h1, то измеряемое давление p1 меньше атмосферного (см. рис. 160, в).

Продолжим анализ полученной формулы. Измеряемая разность давлений p1 – pатм = ρ · g · Δh. Поэтому если перепад давлений достаточно большой, то для его измерения необходимо либо использовать трубку большой длины (для больших значений Δh), либо использовать жидкость с большой плотностью ρ. На практике в жидкостных манометрах обычно используют ртуть, плотность которой равна 13,6 г/см

3. Поэтому давление часто измеряют в несистемных единицах – миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Давление столба ртути высотой 1 мм равно p = ρgh = 133,3 Па. (Нормальное атмосферное давление на уровне моря равно 101,325 кПа, что соответствует 760 мм рт. ст.)

Теперь представим себе, что давление в левом колене манометра над поверхностью жидкости равно нулю. Тогда полученная формула примет вид: p1 = 0 = pатм + ρg(h2 – h1). Следовательно, pатм = ρg(h1 – h2). Этой формулой можно воспользоваться для измерения атмосферного давления.

Впервые атмосферное давление измерил в 1643 г. итальянский ученый Э. Торричелли. Для получения нулевого давления над поверхностью ртути (что соответствует атмосферному давлению на высоте более 100 км) он поступил следующим образом. Заполнив ртутью запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной 1 м и закрыв пальцем отверстие, он перевернул трубку и погрузил незапаянный конец трубки в чашку с ртутью. После этого он убрал палец и обнаружил, что из трубки вылилась только часть ртути (рис. 161). В результате над поверхностью ртути в трубке образовалось не заполненное воздухом пространство – «торричеллиева пустота». Высота h столба оставшейся в трубке ртути, равная разности высот столбов ртути в трубке (h

1) и чашке (h2), составила примерно 760 мм. При этом разность давлений, создаваемых в точке A столбом ртути в трубке и столбом ртути в чашке, уравновешивается давлением атмосферы на открытую поверхность ртути в чашке:

0 + ρgh1 = pатм + ρgh2

Следовательно,

pатм = ρg(h1 – h2) = ρgh

Если к такой трубке с ртутью прикрепить шкалу с нанесенными на ней делениями в миллиметрах, то получится ртутный барометр – прибор для измерения атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба.

В настоящее время для измерения атмосферного давления используют безжидкостные приборы, получившие название барометров-анероидов. (Анероид в переводе с греческого – «безжидкостный».) Устройство одного из таких приборов показано на рис. 162. Основным элементом барометра-анероида является круглая металлическая коробка 1, закрытая тонкой гофрированной крышкой – мембраной. Из коробки откачан воздух, и мембрана под действием атмосферного давления прогибается внутрь коробки. К центру мембраны прикреплена пружина 2. При изменении атмосферного давления величина прогиба мембраны изменяется, что фиксируется с помощью стрелки 3, закрепленной на оси вращения 4. Такой прибор обычно имеет две шкалы (рис. 16З). Одна шкала проградуирована в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), другая – в гектопаскалях (гПа).

Как уже отмечалось, с увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление уменьшается. Поэтому по измерениям атмосферного давления на различных высотах можно судить о высоте подъема над поверхностью Земли. В барометрах, применяемых в авиации, шкалу градуируют в метрах, а прибор называют высотомером.

На практике для измерения давления часто используют трубчатые манометры

. Устройство подобного прибора показано на рис. 164. Основным его элементом является изогнутая в дугу упругая металлическая трубка 1. Один жестко закрепленный конец этой трубки подсоединяется к системе, в которой необходимо измерить давление. Другой конец трубки запаян и находится в свободном положении. При увеличении давления внутри трубки она начинает разгибаться. В результате ее свободный конец перемещается относительно корпуса прибора. Это смещение вызывает поворот стрелки 2.

Подобные манометры позволяют измерять давление от сотен паскалей до нескольких гигапаскалей (109 Па) и поэтому широко используются на практике. В частности, их применяют для измерения давления в шинах автомобилей, давления в водопроводных и газовых трубах и т. п.

Итоги

Приборы для измерения давления, создаваемого жидкостями и газами, называют манометрами.

Жидкостные манометры основаны на измерении разности высот столбов однородной жидкости в сообщающихся сосудах, один из которых находится под действием атмосферного давления. Измеряемая разность давлений равна

p1 – pатм = ρgΔh

Приборы для измерения атмосферного давления называют барометрами. Существуют ртутные барометры и барометры-анероиды (безжидкостные барометры).

Изменение (уменьшение) давления с увеличением высоты над поверхностью Земли позволяет использовать барометры для определения высоты полета летательных аппаратов.

Вопросы

  1. Как называют приборы для измерения давления?
  2. Какие виды приборов для измерения давления вы знаете?
  3. Как устроен жидкостный манометр?
  4. Как устроен барометр-анероид?
  5. Как устроен трубчатый манометр?
  6. Что такое высотомер?
  7. Расскажите об опыте Торричелли.
  8. Являются ли чашка и трубка в опыте Торричелли (см. рис. 161) сообщающимися сосудами?

Упражнения

  1. Определите высоту столба воды, действие которого уравновесит атмосферное давление.
  2. В течение суток барометр показывал давление: 740; 746; 752 мм рт. ст. Пересчитайте эти показания в Па.
  3. Опустите стакан полностью в тазик с водой. Затем переверните стакан под водой вверх донышком и медленно поднимайте его. Объясните, почему вода из стакана не будет выливаться, пока края стакана не поднимутся выше уровня воды в тазике.
  4. Как изменится показание барометра-анероида при его подъеме на высоту 300 м над поверхностью Земли?

Давление (физика) | это… Что такое Давление (физика)?

Толкование

Давление (физика)

Давле́ние (P) — физическая величина, характеризующая состояние сплошной среды и численно равная силе , действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. В простейшем случае анизотропной равновесной неподвижной среды (гидростатическое давление) или идеальной (не имеющей внутреннего трения и анизотропной) движущейся среды давление не зависит от ориентации поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы, действующей на малый элемент поверхности, к его площади:

.

Среднее давление по всей поверхности есть отношение силы к площади поверхности:

Давление является интенсивной физической величиной. Давление в системе СИ измеряется в паскалях; применяются также следующие единицы:

  • Паскаль
  • Бар
  • Торр
  • Техническая атмосфера
  • Физическая атмосфера
  • Миллиметр ртутного столба
  • Миллиметр водяного столба
  • Дюйм ртутного столба
  • Фунт-сила на квадратный дюйм
Единицы давления
  Паскаль
(Pa, Па)
Бар
(bar, бар)
Техническая атмосфера
(at, ат)
Физическая атмосфера
(atm, атм)
Миллиметр ртутного столба
(мм рт.ст.,mmHg, torr, торр)
Метр водяного столба
(м вод. ст.,m H2O)
Фунт-сила
на кв. дюйм
(psi)
1 Па 1 Н/м2  10−5  10,197×10−6  9,8692×10−6 7,5006×10−3  1,0197×10−4  145,04×10−6
1 бар  105  1 ×106дин/см2  1,0197  0,98692  750,06  10,197  14,504
1 ат  98066,5  0,980665  1 кгс/см2  0,96784  735,56  10  14,223
1 атм  101325  1,01325  1,033 1 атм  760  10,33  14,696
1 мм рт.ст.  133,322  1,3332×10−3  1,3595×10−3  1,3158×10−3  1 мм рт.ст.  13,595×10−3  19,337×10−3
1 м вод. ст.  9806,65  9,80665×10−2  0,1  0,096784  73,556  1 м вод. ст.  1,4223
1 psi  6894,76  68,948×10−3  70,307×10−3  68,046×10−3  51,715  0,70307  1 lbf/in2


Измерение давления газов и жидкостей выполняется с помощью манометров, дифманометров, вакуумметров, атмосферного давления — барометрами, артериального давления — тонометрами.

  • Звуковое давление и Давление звука (это разные понятия!)
  • Парциальное давление
  • Атмосферное давление
  • Вакуум
  • Напор (гидродинамика)
  • Осмотическое давление
  • Онкотическое давление
  • Диффузионное давление
  • Давление света
  • Закон Паскаля
  • Закон Бернулли
  • Барометрическая формула
  • Критическое давление
  • Артериальное давление
  • Уравнение состояния идеального газа
  • Молекулярно-кинетическая теория
  • Механическое напряжение
Физический портал — обзорные статьи по истории и разделам физики и биографии известных учёных.

Wikimedia Foundation. 2010.

Поможем решить контрольную работу

  • Давление (кровяное)
  • Давлекановский район

Полезное


14.4: Измерение давления – Физика LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    4056
    • OpenStax
    • OpenStax
    Цели обучения
    • Определение манометрического и абсолютного давления
    • Объяснить различные методы измерения давления
    • Понимание работы барометров с открытой трубкой
    • Подробно опишите, как работают манометры и барометры

    В предыдущем разделе мы вывели формулу для расчета изменения давления жидкости, находящейся в гидростатическом равновесии. Как оказалось, это очень полезный расчет. Измерения давления важны как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В этом разделе мы обсудим различные способы регистрации и измерения давления.

    Манометрическое давление в сравнении с абсолютным давлением

    Предположим, что манометр на полном баллоне акваланга показывает 3000 фунтов на квадратный дюйм, что составляет приблизительно 207 атмосфер. Когда клапан открывается, воздух начинает выходить, потому что давление внутри бака больше, чем атмосферное давление снаружи бака. Воздух продолжает выходить из бака до тех пор, пока давление внутри бака не сравняется с давлением атмосферы снаружи бака. В этот момент манометр на баке показывает ноль, хотя давление внутри бака на самом деле составляет 1 атмосферу — такое же, как давление воздуха снаружи бака.

    Большинство манометров, например, на баллоне с аквалангом, откалиброваны так, чтобы показывать ноль при атмосферном давлении. Показания давления от таких манометров называются манометром давлением , что является давлением по отношению к атмосферному давлению. Когда давление внутри резервуара превышает атмосферное давление, манометр показывает положительное значение. Некоторые манометры предназначены для измерения отрицательного давления. Например, многие физические эксперименты должны проводиться в вакуумной камере, жесткой камере, из которой откачивается часть воздуха. Давление внутри вакуумной камеры меньше атмосферного, поэтому манометр на камере показывает отрицательное значение. В отличие от манометрического давления, абсолютное давление учитывает атмосферное давление, которое фактически добавляется к давлению в любой жидкости, не заключенной в жесткий контейнер.

    Определение Абсолютное давление

    Абсолютное или полное давление представляет собой сумму манометрического давления и атмосферного давления:

    \[p_{abs} = p_{g} + p_{atm} \label{14.11}\]

    , где p абс — абсолютное давление, p g — манометрическое давление, а p атм — атмосферное давление.

    Например, если шинный манометр показывает 34 psi, то абсолютное давление равно 34 psi плюс 14,7 psi (p атм в psi) или 48,7 psi (эквивалентно 336 кПа).

    В большинстве случаев абсолютное давление в жидкостях не может быть отрицательным. Жидкости толкают, а не тянут, поэтому наименьшее абсолютное давление в жидкости равно нулю (отрицательное абсолютное давление — это притяжение). Таким образом, наименьшее возможное манометрическое давление равно p g = −p атм (что делает p абс равным нулю). Нет теоретического предела тому, насколько большим может быть манометрическое давление.

    Измерение давления

    Для измерения давления используется множество устройств, от шинных манометров до тонометров. Многие другие типы манометров обычно используются для проверки давления жидкостей, например, механические манометры. Мы рассмотрим некоторые из них в этом разделе.

    Любое свойство, которое известным образом изменяется в зависимости от давления, может быть использовано для создания манометра. Некоторые из наиболее распространенных типов включают тензометрические датчики, в которых используется изменение формы материала под действием давления; емкостные манометры, в которых используется изменение электрической емкости из-за изменения формы под действием давления; пьезоэлектрические манометры, которые генерируют разность потенциалов на пьезоэлектрическом материале под действием разности давлений между двумя сторонами; и ионизационные датчики, которые измеряют давление путем ионизации молекул в высоковакуумных камерах. Различные манометры полезны в разных диапазонах давления и в разных физических ситуациях. Некоторые примеры показаны на рисунке \(\PageIndex{1}\).

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Манометры используются для измерения и контроля давления в газовых баллонах. Сжатые газы используются во многих промышленных и медицинских целях. (b) Шинные манометры бывают разных моделей, но все они предназначены для одной и той же цели: измерения внутреннего давления в шине. Это позволяет водителю поддерживать давление в шинах, оптимальное для веса груза и условий движения. (c) Ионизационный датчик представляет собой высокочувствительное устройство, используемое для контроля давления газов в замкнутой системе. Молекулы нейтрального газа ионизируются за счет высвобождения электронов, и ток преобразуется в показания давления. Ионизационные датчики обычно используются в промышленных приложениях, которые полагаются на вакуумные системы.

    Манометры

    Один из наиболее важных классов манометров использует то свойство, что давление, обусловленное весом жидкости постоянной плотности, определяется выражением p = h\(\rho\)g. U-образная трубка, показанная на рисунке \(\PageIndex{2}\), является примером манометра ; в части (а) обе стороны трубы открыты для атмосферы, что позволяет атмосферному давлению одинаково падать с каждой стороны, так что его эффекты нейтрализуются.

    Манометр, только одна сторона которого открыта для атмосферы, является идеальным устройством для измерения манометрического давления. Манометрическое давление p г = h\(\rho\)g и находится путем измерения h. Например, предположим, что одна сторона U-образной трубки соединена с некоторым источником давления p abs , таким как воздушный шар в части (b) рисунка или упакованная под вакуумом банка из-под арахиса, показанная в части (c). Давление передается на манометр в неизменном виде, и уровни жидкости уже не равны. В части (b) p abs больше атмосферного давления, тогда как в части (c) pabs меньше атмосферного давления. В обоих случаях стр. абс отличается от атмосферного давления на величину h\(\rho\)g, где \(\rho\) – плотность жидкости в манометре. В части (b) p abs может поддерживать столб жидкости высотой h, поэтому он должен оказывать давление h\(\rho\)g больше, чем атмосферное давление (манометрическое давление p g положительно). В части (c) атмосферное давление может поддерживать столб жидкости высотой h, поэтому p abs меньше атмосферного давления на величину h\(\rho\)g (манометрическое давление p г отрицательный).

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Манометр с открытой трубкой имеет одну сторону, открытую в атмосферу. (a) Глубина жидкости должна быть одинаковой с обеих сторон, иначе давление, оказываемое каждой стороной на дно, будет неодинаковым, и жидкость будет течь с более глубокой стороны. (b) Положительное манометрическое давление p g = h\(\rho\)g, передаваемое на одну сторону манометра, может поддерживать столб жидкости высотой h. (c) Точно так же атмосферное давление больше, чем отрицательное манометрическое давление p g на сумму h\(\rho\)g. Жесткость банки предотвращает передачу атмосферного давления на арахис.

    Барометры

    Манометры обычно используют U-образную трубку жидкости (часто ртути) для измерения давления. Барометр (рис. \(\PageIndex{3}\)) — это устройство, в котором для измерения атмосферного давления обычно используется один ртутный столбик. Барометр, изобретенный итальянским математиком и физиком Эванджелистой Торричелли (1608–1647) в 1643 г., представляет собой стеклянную трубку, закрытую с одного конца и наполненную ртутью. Затем трубку переворачивают и помещают в бассейн с ртутью. Это устройство измеряет атмосферное давление, а не манометрическое давление, потому что над ртутью в трубке почти чистый вакуум. Высота ртути такова, что h\(\rho\)g = p атм . При изменении атмосферного давления ртутный столбик поднимается или опускается.

    Синоптики внимательно следят за изменениями атмосферного давления (часто сообщаемого как атмосферное давление), поскольку повышение ртути обычно сигнализирует об улучшении погоды, а понижение ртути указывает на ухудшение погоды. Барометр также можно использовать как высотомер, поскольку среднее атмосферное давление меняется с высотой. Ртутные барометры и манометры настолько распространены, что для измерения атмосферного давления и кровяного давления часто используются единицы мм рт.

    Рисунок \(\PageIndex{3}\): Ртутный барометр измеряет атмосферное давление. Давление от веса ртути h\(\rho\)g равно атмосферному давлению. Атмосфера способна поднять ртуть в трубке на высоту h, потому что давление над ртутью равно нулю.
    Пример \(\PageIndex{1}\): Высота жидкости в открытой U-образной трубке

    U-образная трубка с открытыми обоими концами заполнена жидкостью с плотностью \(\rho_{1}\) до высоты h с обеих сторон (рис. \(\PageIndex{1}\)). Жидкость с плотностью \(\rho_{2} < \rho_{1}\) наливается в одну сторону, и жидкость 2 оседает поверх жидкости 1. Высота на двух сторонах различна. Высота до вершины Liquid 2 от интерфейса h 2 и высота до верха Liquid 1 от уровня интерфейса h 1 . Вывести формулу разницы высот.

    Рисунок \(\PageIndex{4}\): Две жидкости с различной плотностью показаны в U-образной трубке.

    Стратегия

    Давление в точках на одной высоте с двух сторон U-образной трубки должно быть одинаковым, пока эти две точки находятся в одной и той же жидкости. Поэтому мы рассматриваем две точки на одном уровне в двух рукавах трубки: одна точка — это граница раздела со стороны жидкости 2, а другая — точка в рукаве с жидкостью 1, которая находится на том же уровне, что и интерфейс в другой руке. Давление в каждой точке обусловлено атмосферным давлением плюс вес жидкости над ним.

    Давление со стороны жидкости 1 = p 0 + \(\rho_{1}\) gh 1

    Давление со стороны жидкости 2 = p 0 + \(\rho_{2} \) gh 2

    Решение

    Поскольку две точки находятся в жидкости 1 и находятся на одной высоте, давление в двух точках должно быть одинаковым. Следовательно, имеем

    \[p_{0} + \rho_{1} gh_{1} = p_{0} + \rho_{2} gh_{2} \ldotp \nonumber\]

    Следовательно,

    \ [\rho_{1} h_{1} = \rho_{2} h_{2} \ldotp \nonumber\]

    Это означает, что разница высот с двух сторон U-образной трубы составляет

    \[h_{2} – h_{1} = \left(1 – \dfrac{p_{1}}{p_{2 }}\right) h_{2} \ldotp \nonumber\]

    Результат имеет смысл, если мы установим \(\rho_2 = \rho_1\), что даст h 2 = h 1 . Если две стороны имеют одинаковую плотность, они имеют одинаковую высоту.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    Ртуть является опасным веществом. Как вы думаете, почему в барометрах обычно используется ртуть, а не более безопасная жидкость, такая как вода? 9{5}\; Pa \ldotp\]

    Миллибар является удобной единицей измерения для метеорологов, поскольку среднее атмосферное давление на уровне моря на Земле составляет 1,013 x 10 5 Па = 1013 мб = 1 атм. Используя уравнения, полученные при рассмотрении давления на глубине в жидкости, давление также можно измерить в миллиметрах или дюймах ртутного столба. Давление на дне 760-миллиметрового столба ртути при 0 °С в сосуде, верхняя часть которого откачана, равно атмосферному давлению. Таким образом, вместо давления в 1 атмосферу также используется 760 мм ртутного столба. В лабораториях физики вакуума ученые часто используют другую единицу измерения, называемую торр, названную в честь Торричелли, который, как мы только что видели, изобрел ртутный манометр для измерения давления. Один торр равен давлению в 1 мм рт. 9{5}\; Па$$ $$1\; торр = 1\; мм\; ртутного столба = 122,39\; Па$$


    Эта страница под названием 14.4: Измерение давления распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Раздел или Страница
      Автор
      ОпенСтакс
      Лицензия
      СС BY
      Версия лицензии
      4,0
      Программа ООР или издатель
      ОпенСтакс
      Показать оглавление
      нет
    2. Теги
      1. абсолютное давление
      2. Манометрическое давление
      3. давление
      4. источник@https://openstax. org/details/books/university-physics-volume-1

    14.2 Измерение давления – University Physics Volume 1

    14 Гидромеханика

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Определять манометрическое и абсолютное давление
    • Объяснить различные методы измерения давления
    • Понимание работы барометров с открытой трубкой
    • Подробно опишите, как работают манометры и барометры

    В предыдущем разделе мы вывели формулу для расчета изменения давления жидкости, находящейся в гидростатическом равновесии. Как оказалось, это очень полезный расчет. Измерения давления важны как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В этом разделе мы обсудим различные способы регистрации и измерения давления.

    Манометрическое давление в сравнении с абсолютным давлением

    Предположим, что манометр на полном баллоне акваланга показывает 3000 фунтов на квадратный дюйм, что составляет примерно 207 атмосфер. Когда клапан открывается, воздух начинает выходить, потому что давление внутри бака больше, чем атмосферное давление снаружи бака. Воздух продолжает выходить из бака до тех пор, пока давление внутри бака не сравняется с давлением атмосферы снаружи бака. В этот момент манометр на баке показывает ноль, хотя давление внутри бака на самом деле составляет 1 атмосферу — такое же, как давление воздуха снаружи бака.

    Большинство манометров, например, на баллоне с аквалангом, откалиброваны так, чтобы показывать ноль при атмосферном давлении. Показания давления от таких манометров называются манометрическим давлением , что является давлением относительно атмосферного давления. Когда давление внутри резервуара превышает атмосферное давление, манометр показывает положительное значение.

    Некоторые манометры предназначены для измерения отрицательного давления. Например, многие физические эксперименты должны проводиться в вакуумной камере, жесткой камере, из которой откачивается часть воздуха. Давление внутри вакуумной камеры меньше атмосферного, поэтому манометр на камере показывает отрицательное значение.

    В отличие от манометрического давления, абсолютное давление составляет атмосферного давления , что фактически добавляется к давлению в любой жидкости, не заключенной в жесткий контейнер.

    Абсолютное давление

    Абсолютное давление или общее давление представляет собой сумму манометрического давления и атмосферного давления:

    [латекс] {p} _ {\ text {abs}} = {p} _ {\ text {g }}+{p}_{\text{атм}}[/латекс]

    , где [латекс]{р}_{\текст{абс}}[/латекс] — абсолютное давление, [латекс]{р}_ {\text{g}}[/latex] – манометрическое давление, а [latex]{p}_{\text{атм}}[/latex] – атмосферное давление.

    Например, если шинный манометр показывает 34 фунта на квадратный дюйм, то абсолютное давление равно 34 фунта на квадратный дюйм плюс 14,7 фунта на квадратный дюйм ([латекс] {p} _ {\ text {атм}} [/латекс] в фунтах на квадратный дюйм) или 48,7 фунта на квадратный дюйм ( эквивалентно 336 кПа).

    В большинстве случаев абсолютное давление в жидкостях не может быть отрицательным. Жидкости толкают, а не тянут, поэтому наименьшее абсолютное давление в жидкости равно нулю (отрицательное абсолютное давление — это притяжение). Таким образом, наименьшее возможное манометрическое давление равно [латекс]{p}_{\text{g}}=\text{−}{p}_{\text{атм}}[/latex] (что делает [латекс]{ р} _ {\ текст {абс}} [/ латекс] ноль). Нет теоретического предела тому, насколько большим может быть манометрическое давление.

    Измерение давления

    Для измерения давления используется множество устройств, от шинных манометров до тонометров. Многие другие типы манометров обычно используются для проверки давления жидкостей, например, механические манометры. Мы рассмотрим некоторые из них в этом разделе.

    Любое свойство, которое известным образом изменяется в зависимости от давления, может быть использовано для создания манометра. Некоторые из наиболее распространенных типов включают тензометрические датчики, в которых используется изменение формы материала под действием давления; емкостные манометры, в которых используется изменение электрической емкости из-за изменения формы под действием давления; пьезоэлектрические манометры, которые генерируют разность потенциалов на пьезоэлектрическом материале под действием разности давлений между двумя сторонами; и ионизационные датчики, которые измеряют давление путем ионизации молекул в высоковакуумных камерах. Различные манометры полезны в разных диапазонах давления и в разных физических ситуациях. Некоторые примеры показаны на рисунке.

    Рисунок 14.11 (a) Манометры используются для измерения и контроля давления в газовых баллонах. Сжатые газы используются во многих промышленных и медицинских целях. (b) Шинные манометры бывают разных моделей, но все они предназначены для одной и той же цели: измерения внутреннего давления в шине. Это позволяет водителю поддерживать давление в шинах, оптимальное для веса груза и условий движения. (c) Ионизационный датчик представляет собой высокочувствительное устройство, используемое для контроля давления газов в замкнутой системе. Молекулы нейтрального газа ионизируются за счет высвобождения электронов, и ток преобразуется в показания давления. Ионизационные датчики обычно используются в промышленных приложениях, которые полагаются на вакуумные системы.
    Манометры

    Один из наиболее важных классов манометров использует то свойство, что давление, обусловленное весом жидкости постоянной плотности, определяется выражением [латекс]p=h\rho g[/латекс]. U-образная трубка, показанная на рисунке, является примером манометра ; в части (а) обе стороны трубы открыты для атмосферы, что позволяет атмосферному давлению одинаково падать с каждой стороны, так что его эффекты нейтрализуются.

    Манометр, только одна сторона которого открыта для атмосферы, является идеальным устройством для измерения манометрического давления. Манометрическое давление равно [латекс] {p} _ {\ text {g}} = h \ rho g [/latex] и определяется путем измерения ч . Например, предположим, что одна сторона U-образной трубки соединена с некоторым источником давления [латекс]{p}_{\text{абс}},[/латекс], таким как воздушный шар в части (b) рисунка или упакованная под вакуумом банка из-под арахиса, показанная в части (c). Давление передается на манометр в неизменном виде, и уровни жидкости уже не равны. В части (b) [латекс] {p} _ {\ text {абс}} [/латекс] превышает атмосферное давление, тогда как в части (с) [латекс] {р} _ {\ текст {абс} }[/latex] меньше атмосферного давления. В обоих случаях [латекс]{р}_{\текст{абс}}[/латекс] отличается от атмосферного давления на величину [латекс]h\rho g,[/latex], где [латекс]\ро[/латекс ] — плотность жидкости в манометре. В части (b) [латекс]{p}_{\text{абс}}[/латекс] может поддерживать столб жидкости высотой h , поэтому он должен оказывать давление [латекс]h\rho g[/латекс] больше, чем атмосферное давление (манометрическое давление [латекс]{р}_{\текст{г}}[/латекс] положительно) . В части (c) атмосферное давление может поддерживать столб жидкости высотой ч , поэтому [латекс]{р}_{\текст{абс}}[/латекс] меньше атмосферного давления на величину [латекс] h\rho g[/latex] (манометрическое давление [латекс]{p}_{\text{g}}[/латекс] отрицательно).

    Рисунок 14.12 Манометр с открытой трубкой имеет одну сторону, открытую в атмосферу. (a) Глубина жидкости должна быть одинаковой с обеих сторон, иначе давление, оказываемое каждой стороной на дно, будет неодинаковым, и жидкость будет течь с более глубокой стороны. (b) Положительное манометрическое давление [латекс]{p}_{\text{g}}=h\rho g[/латекс], передаваемое на одну сторону манометра, может поддерживать столб жидкости высотой h. (c) Точно так же атмосферное давление больше, чем отрицательное манометрическое давление [латекс] {р} _ {\ текст {г}} [/латекс] на величину [латекс] h \ rho g [/латекс]. Жесткость банки предотвращает передачу атмосферного давления на арахис.
    Барометры

    Манометры обычно используют U-образную трубку жидкости (часто ртути) для измерения давления. Барометр (см. рисунок) — это устройство, которое обычно использует один столбик ртути для измерения атмосферного давления. Барометр, изобретенный итальянским математиком и физиком Эванджелистой Торричелли (1608–1647) в 1643 г., представляет собой стеклянную трубку, закрытую с одного конца и наполненную ртутью. Затем трубку переворачивают и помещают в бассейн с ртутью. Это устройство измеряет атмосферное давление, а не манометрическое давление, потому что над ртутью в трубке почти чистый вакуум. Высота ртути такова, что [латекс]h\rho g={p}_{\text{атм}}[/латекс]. При изменении атмосферного давления ртутный столбик поднимается или опускается.

    Синоптики внимательно следят за изменениями атмосферного давления (часто сообщаемого как атмосферное давление), поскольку повышение ртути обычно сигнализирует об улучшении погоды, а понижение ртути указывает на ухудшение погоды. Барометр также можно использовать как высотомер, поскольку среднее атмосферное давление меняется с высотой. Ртутные барометры и манометры настолько распространены, что для измерения атмосферного давления и кровяного давления часто используются единицы мм рт.

    Рисунок 14.13 Ртутный барометр измеряет атмосферное давление. Давление из-за веса ртути, [латекс]h\rho g[/латекс], равно атмосферному давлению. Атмосфера способна поднять ртуть в трубке на высоту h, потому что давление над ртутью равно нулю.

    Пример

    Высота жидкости в открытой U-образной трубке

    U-образная трубка с открытыми обоими концами заполнена жидкостью с плотностью [латекс]{\rho }_{1}[/латекс] до высоты ч с двух сторон (рис. ). Жидкость с плотностью [латекс]{\rho }_{2} \lt {\rho }_{1}[/латекс] наливается в одну сторону, и Жидкость 2 оседает поверх Жидкости 1. Высота на двух сторонах разные. Высота до верха жидкости 2 от интерфейса составляет [латекс]{h}_{2}[/латекс], а высота до верха жидкости 1 от уровня интерфейса составляет [латекс]{ч}_{ 1}[/латекс]. Вывести формулу разницы высот.

    Рисунок 14.14 Две жидкости с различной плотностью показаны в U-образной трубке.
    Стратегия

    Давление в точках на одной высоте с двух сторон U-образной трубки должно быть одинаковым, пока эти две точки находятся в одной и той же жидкости. Поэтому мы рассматриваем две точки на одном уровне в двух рукавах трубки: одна точка — это граница раздела со стороны жидкости 2, а другая — точка в рукаве с жидкостью 1, которая находится на том же уровне, что и интерфейс в другой руке. Давление в каждой точке обусловлено атмосферным давлением плюс вес жидкости над ним.

    [латекс]\begin{array}{c}\text{Давление на стороне с жидкостью 1}={p}_{0}+{\rho}_{1}g{h}_{1}\ hfill \\ \text{Давление на стороне жидкости 2}={p}_{0}+{\rho }_{2}g{h}_{2}\hfill \end{array}[/latex]

    Решение

    Поскольку две точки находятся в жидкости 1 и находятся на одной высоте, давление в этих двух точках должно быть одинаковым. Следовательно, имеем

    [латекс]{p}_{0}+{\rho }_{1}g{h}_{1}={p}_{0}+{\rho}_{2} g{h}_{2}.[/latex]

    Следовательно,

    [латекс] {\ rho } _ {1} {h} _ {1} = {\ rho } _ {2} {h} _ {2}.[/латекс]

    Это означает, что разница высот с двух сторон U-образной трубки составляет

    [латекс]{h}_{2}-{h}_{1}=(1-\frac{{p}_ {1}}{{p}_{2}}){h}_{2}.[/latex]

    Результат имеет смысл, если мы установим [latex]{p}_{2}={p}_ {1},[/latex], что дает [latex]{h}_{2}={h}_{1}.[/latex] Если две стороны имеют одинаковую плотность, они имеют одинаковую высоту.

    Проверьте свое понимание

    Ртуть является опасным веществом. Как вы думаете, почему в барометрах обычно используется ртуть, а не более безопасная жидкость, такая как вода? 9\circ \text{C}[/latex] в контейнере, верхняя часть которого вакуумирована, равно атмосферному давлению. Таким образом, вместо давления в 1 атмосферу также используется 760 мм ртутного столба. В лабораториях физики вакуума ученые часто используют другую единицу измерения, называемую торр, названную в честь Торричелли, который, как мы только что видели, изобрел ртутный манометр для измерения давления. Один торр равен давлению в 1 мм рт.

    Сводка единиц давления
    Блок Определение 9{5}\,\текст{Па}[/латекс]
    [латекс]1\,\text{торр}=1\,\text{мм рт.ст.}=133,3\,\text{Па}[/латекс]

    Резюме

    • Манометрическое давление – это давление относительно атмосферного давления.
    • Абсолютное давление представляет собой сумму манометрического и атмосферного давления.
    • Манометры с открытой трубкой имеют U-образные трубки, один конец которых всегда открыт. Они используются для измерения давления. Ртутный барометр — прибор, измеряющий атмосферное давление.
    • Единицей давления в системе СИ является паскаль (Па), но обычно используются несколько других единиц.

    Концептуальные вопросы

    Объясните, почему жидкость достигает одинакового уровня по обе стороны манометра, если обе стороны открыты для атмосферы, даже если трубки имеют разный диаметр.

    Показать решение

    Атмосферное давление обусловлено весом воздуха над ним. Давление, сила, приходящаяся на площадь, по манометру будет одинаковой на той же глубине атмосферы.

    Задачи

    Найдите манометрическое и абсолютное давление в баллоне и банке с арахисом, показанных на рисунке, при условии, что манометр, подключенный к баллону, использует воду, а манометр, подключенный к банке, содержит ртуть.

    Оставить комментарий