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.