Давление характеризует напряженное состояние жидкостей и газов в условиях всестороннего сжатия и определяется частным от деления нормальной к поверхности силы на площадь этой поверхности
P = -f> (1.1)
где р — давление; N — нормальная сила, действующая на поверхность; F — площадь поверхности.
При этом принимается, что нормальная сила равномерно распределена по поверхности, а в жидкости или газе отсутствуют касательные напряжения. Так как действующая сила всегда перпендикулярна к поверхности вне зависимости от ее расположения, то давление является скалярной величиной.
В общем случае при неравномерном распределении действующих на жидкость или газ внешних сил вводится понятие давление в точке:
р, = 1лп-Ц- приДР-О, (1.2)
где AN — нормальная сила, действующая на сколь угодно малую площадь AF.
Понятие давления как физической величины во всех его проявлениях едино. Вместе с тем, во многих естественных природных явлениях и в различных технических устройствах и процессах определяющим является не само давление, а его значение относительно другого. Например, выброс лавы и газов при извержений вулкана происходят из-за того, что Давление в его жерле больше, чем давление окружающего воздуха и сопротивление слагающих его твердых пород; под действием разности двух давлений по магистральным трубопроводам транспортируются нефть и газ из Сибири; действует знаменитый фонтан „Самсон" в Петергофе.
При сравнении значений двух давлений одно из них принимается за начало отсчета их разности. По этому признаку различают следующие виды давлений.
Абсолютное давление — давление, значение которого при измерении отсчитывается от давления, равного нулю. Абсолютное давление воздушной оболочки Земли на ее поверхность называется атмосферным давлением.
Давление, равное .нулю, характеризует состояние жидкости или газа, обусловленное различными физическими причинами, при котором в них отсутствуют напряжения сжатия.
Давление газа равно нулю, если его концентрация настолько мала, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом, или если равна нулю абсолютная температура газа. Это состояние достигается, например, во внутренней полости гигантского тороидального кольца мощного синхрофазотрона. В естественных условиях указанное состояние — сверхглубокий вакуум — наблюдается в отдаленных областях космического пространства.
Равенство нулю давления жидкости имеет место, если отсутствуют действующие на нее внешние силы. Это наблюдается, например, для жидкости, находящейся в состоянии невесомости на борту орбитальной космической станции. В данном случае силы земного тяготения уравновешены центростремительными силами, возникающими при равномерном движении станции по орбите. В нормальных земных условиях давление жидкости может быть равно нулю только в ее верхнем поверхностном слое.
Во всех других случаях измеряемое давление сравнивается с давлением, значение которого не равно нулю. Данные виды давления, в отличие от абсолютного давления, являются относительными. Здесь следует выделить разность давлений и избыточное давление.
Разность давлений — разность двух произвольных давлений, значение одного из которых принято за начало отсчета. В этом случае основное значение имеет разность давлений, а не абсолютные значения каждого из них.
Разность давлений
йр=Р1-р2> (1.3)
где рх и Рг — сравниваемые между собой абсолютные давления, причем Рг принято за начало отсчета. При рх
>р2 разность давлений положительна, npnpi <р2
-отрицательна.
Следует подчеркнуть, что понятие „разность давлений равна нулю" по определению не адекватно равенству нулю давлений Р\ и р2.
Избыточное давление — разность давлений, одно из которых, принятое за начало отсчета, является абсолютным давлением окружающей среды. В большинстве случаев абсолютное давление окружающей среды — это атмосферное давление в месте измерений.
Избыточное давление
Ри= Рабе" Ратм. С1-4)
где Рабе — абсолютное давление; ратм — атмосферное давление.
Так же, как и ранее, при рабс > Ра™ избыточное давление положительно, при рабс — Ратм ~ отрицательно, а равенство нулю ри не адекватно равенству нулю рабс и раТм- В этом заключается принципиальное различие между понятиями разность давлений, избыточное и абсолютное давление. Последнее по определению не может быть отрицательным.
Для газовых смесе применяется специальный термин — парциальное давление — абсолютное давление одного из компонентов газовой смеси. Под этим понимается абсолютное давление данного компонента при условии, что он займет весь объем.’в котором находится газовая смесь.
Сумма парциальных давлений всех компонентов газовой смеси равна абсолютному давлению смеси газов, т. е.
к
Рвбс= 2 рш-, (1.5)
где Рабе — абсолютное давление смеси газов; рш- — парциальные давления каждого из компонентов смеси.
Вакуум — состояние среды, абсолютное давление которой существенно меньше атмосферного давления. Понятие „вакуум" часто отождествляют с понятием „низкое абсолютное давление". Это недопустимо, так как давление является физической величиной, характеризующей количественно состояние среды.
Виды давления графически изображены на рис. 1. Нижняя горизонтальная линия с индексом „О" соответствует абсолютному давлению Рабе =
0» горизонтальная линия с индексом „Б" — атмосферному давлению (Рабе = Ратм). Горизонтальные штриховые линии выше и ниже линии Б ограничивают зону изменений атмосферного давления в месте измерений. Например, для Москвы зона изменений атмосферного давления составляет (995±40) гПаили (745±30) мм ртхт., т.е. отклонения атмосферного давления от среднего значения не превышают ±4 %. Заштрихованными столбиками обозначены подлежащие измерению давления в соответствии с их видом.
Измерения абсолютного давления широко распространены в области вакуумной техники (от 1СГ12 до 103 Па), в метеослужбе, геодезии и авиационной технике (от 102 до 4- 10s
Па). Более высокие давления (до 1—10 МПа) измеряют при научных исследованиях, в том числе в термодинамике. Более высокие абсолютные давления измеряют крайне редко, так как в этих случаях их можно измерить более простыми методами измерения избыточного давления.
Пределы измерений избыточного давления на несколько порядков выше. В области микроманометрии диапазон измерений составляет от Ю"1 до 4* 104 Па, в области средних давлений — от 4-104 Па до 250 МПа и в области высоких и сверхвысоких давлений — от 250 МПа до 10 ГПа. Наиболее широкое применение в науке и технике находит диапазон средних избыточных давлений, особенно давлений до 10—25 МПа.
Широкое применение в народном хозяйстве страны находят также измерения разности давлений, например, при определении расхода, уровня и плотности жидкостей и газов. Пределы измерений разности давлений составляет от 1 Па до 1 МПа, а в некоторых случаях до 10 МПа и выше.
С учетом специфики каждого из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений — манометры и измерительные преобразователи давления.
Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным отсчетом их значения.
Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный преобразователь, выходной сигнал которого функционально связан с измеряемым давлением или разностью давлений. Выходной сигнал датчика вторичными приборами преобразуется в показания значения давления или поступает в различные системы управления и регулирования.
В соответствии с видами измеряемого давления применяют следующие виды средств измерения давления: манометр абсолютного давления — манометр для измерения абсолютного давления; барометр — манометр для измерения атмосферного давления; манометр избыточного давления — манометр для измерения положительного избыточного давления, вакуумметр* — манометр для измерения отрицательного избыточ-
* Вакуумметрами часто называют манометры, предназначенные для измерения низких абсолютных давлений, существенно меньших, чем атмосферное давление (в вакуумной технике).
ного давления: мановакуумметр — манометр для измерения как положительного, так и отрицательного избыточного давления; дифференциальный манометр (дифманометр) — манометр для измерения разности двух давлений, каждое из которых отличается от атмосферного давления; микроманометр — дифференциальный манометр для измерения малых разностей двух давлений, каждое из которых существенно больше их разности.
