Общие понятия о давлении

Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Тор-ричелли, который некоторое время был учеником Галилея [1]. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Пас­каль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они из­меряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление действующее на столбик ртути зави­сит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом экс­перименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформули­ровал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произве­дение давления на объем является постоянной величиной». В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой ана­литическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опере­дил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: «При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается». Более подроб­ное описание динамической теории жидкостей и газов можно найти в учебни­ках физики. В этом разделе будут приведены краткие основы этой теории, не­обходимые для разработки и использования датчиков давления.

В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существу­ет серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в ка­ком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При лю­бом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жид-

кой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отноше­ние силы F, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой по­верхности А [2]:

(10.1)

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно ис­пользовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо изве­стен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высо­ты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

(10.2)

где w — удельный вес среды, dh — изменение высоты, a dp — соответствующее ему изменение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и разме­ры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жид­костью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

(10.3)

где КЕ — кинетическая энергия, V— объем, С² — среднее значение квадрата скоро­стей молекул, r — плотность, N - число молекул в единице объема, R — универ­сальная газовая постоянная, а T— абсолютная температура.

В уравнении (10.3) предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональ­ному росту плотности. Например, при температуре 0°С и давлении 1 атм плот­ность воздуха составляет 1.3 кг/м³, в то время как при той же температуре, но дав­лении 50 атм — его плотность уже будет 65 кг/м³, т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и тем­ператур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм — плотность равна 1002 кг/м¹, а при температуре 100°С и давлении 1 атм — плот­ность равна 958 кг/м³.

Избыточное давление — это давление газа, превышающее давление окружа­ющей среды. В противоположном случае — речь идет о вакууме. Давление назы­вается относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным — когда оно измеряется по отношению к нулевому давле­нию. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

Поиск по сайту: