U образный манометр для газа: U образный манометр

U образный манометр

U-образный манометр, описание

Манометр – прибор, который нужен для того, чтобы измерять давление замкнутых систем – жидкости или газа. U-образный же манометр нужен для измерения давления в небольшом диапазоне.  Работает он на разнице абсолютного атмосферного давления и подведенного давления.

Устройство

Манометр U-типа в основном состоит из:

1. Изогнутой трубки – может быть как открытого типа, так и запаяна с одной стороны;
2. Жидкого вещества – чаще всего используют воду, ртуть или спирт, но также может быть и глицерин;
3. Измерительная шкала – на ней изображены деления, которые соответствуют барам или паскалям.

Принцип действия

Атмосферное давление действует на жидкость с одной стороны трубки (которая не запаяна или не закрыта). Другое отверстие закрыто (если измеряется давление атмосферы), или присоединено к измеряемой среде. Из-за того, что жидкость обладает свойством несжимания, атмосферное давление воздействуя на столб, заставляет подниматься другую часть жидкости, которая находится после колена. Разница, которая получается между началом шкалы и уровнем столба и называется атмосферным давлением. Оно измеряется в паскалях или в барах (один бар – десятая паскаля).

Применение

Области применения манометров как таковых очень обширны. Чаще всего их можно увидеть там, где требуется измерить давление:

• Медицина – они помогают измерять артериальное давление;
• Насосы для автомобильных шин;
• Метеорология – для того, чтобы правильно спрогнозировать погоду, требуется знать давление атмосферы на сегодня;
• Трубопроводы;
• Промышленность – добыча и транспортировка нефти, газов, химикатов;
• И многие другие сферы жизни и производства.

Преимущества и недостатки

У U-образных манометров есть ряд причин, по которым их выбирают, а также и ряд недостатков.

Полюсы: 

• Дешевизна – если не использовать ртуть в конструкции, то себестоимость такого манометра будет составлять копейки;
• Простота конструкции – минимум нужно три элемента, в отличии от пружинного, а тем более электронного;
• Известны с давних времен;
• Широко распространены – этот фактор получается из низкой стоимости и простоты конструкции.  

Минусы: 

• Хрупкость – в случае повреждения ртуть может вытечь наружу;
• Зависимость от силы тяготения – в отличие от пружинного, жидкостный необходимо располагать строго вертикально;
• Большой разброс – если нужно что-то измерить с высокой точностью, такой манометр вам не помощник. 

Таковы преимущества и недостатки U образного манометра. Главное учесть – шагая в ногу со временем, не стоит забывать о прошлом.

Монометры от нашей компании

Манометр кислородный ТМ 210Р

Манометр кислородный (25 Мпа)

Манометр кислородный (МП2-УФ)

Манометр кислородный (МП3-УФ)

Манометр кислородный (МП4-УФ)

Манометр-вакуумметр (МТП-1М)

Манометр-вакуумметр (МПЗ-У)

Манометр-вакуумметр (МП4-У)

Манометр-вакуумметр (МПТИ-М1)

Манометр-вакуумметр (ВПТИ-М1)

Манометр-вакуумметр (МВПТИ-М1)

U-образные манометры — книга «МАНОМЕТРЫ» от НПО «ЮМАС»

      U-образный манометр – это жидкостный манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости/16/.

В U-образных стеклянных манометрах свободный конец трубки сообщается с атмосферой, а к другому концу подводится измеряемое давление. Простейшая схема измерения давления жидкостным стеклянным манометром показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема функционирования  стеклянного   жидкостного  манометра

        Атмосферное давление р_атм воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления

р_абс. При р_абс  > р_атм жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой. В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U-образной трубки, образуется столб жидкости, высота h которого определяется из выражения  

h = (р_абс – р_атм)/((r_ж – r_атм )g),                   (3. 1) 

где р_абс – абсолютное измеряемое давление; r_ж – плотность рабочей жидкости; r_атм – то же окружающей атмосферы; g – ускорение свободного падения, принимаемое в среднем равным 9,80665 м/с², но имеющее зависимость от географической широты местности.

Высота столба рабочей жидкости

h состоит из двух частей: высоты h₁, представляющей понижение столба жидкости относительно начального – «нулевого» уровня, и высоты h₂ – отражающей его повышение в другой части U-образной трубки, т. е. увеличение относительно начального положения – («нуля»).

Плотностью окружающей среды, т. е. воздуха из-за условия r_ж >> r_атм можно пренебречь. Учитывая выражение (1.3), определяющее разность между абсолютным и атмосферным давлением как избыточное, зависимость (3.1) может быть представлена как 

                     h = р_изб/(r_ж g).                               (3.2) 

Здесь р_изб – измеряемое избыточное давление.

Из (3.2) измеряемое избыточное давление, определяемое с помощью стеклянного жидкостного манометра, может определяться как

                      

р_изб = hr_жg.                               (3.3) 

     Для измерения давления разряженных газов используются жидкостные стеклянные манометры, схема которых представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема стеклянного жидкостного вакуумметра абсолютного давления

        В этих приборах к одному концу стеклянной U-образной трубки подводится вакуумметрическое давление, другой конец герметично запаян. Для этого случая выражение (3.1) в общем виде можно представить как  

                          – h = (р_атм – р_абс)/(r_ж g).                  (3.4) 

 

В торце запаянного конца давление равно нулю.

Если в запаянном конце будет находиться воздух, то вакуумметрическое избыточное давление может быть определено как 

 р_атм – р_абс = р_изб – hr_ж g.                       (3.5) 

В некоторых типах приборов воздух в запаянном конце «откачивается» и при заполнении рабочей жидкостью близко к «абсолютному нулю», т. е. прибор заполняется рабочей жидкостью под вакуумом и давление противодействия р_атм = 0. Тогда выражение (3.5) может быть представлено в следующем виде:  

                   р_абс= hr_ж g.                                (3.6) 

Конструкция, в которой запаянный конец перед заполнением рабочей жидкостью вакууммируется, может использоваться в качестве барометра. Отсчет значения барометрического давления производится по величине столба жидкости в запаянной части трубки.

Минус в уравнении (3.4) определяет вакуумметрическое давление. Высота столба жидкости h в этом случае определяет верхний предел диапазона измерения и является составляющей 

h = h₁ + h₂.                                (3.7)

   Здесь h₁ и h₂ — высота столбов жидкости, вытесненной под воздействием измеряемого давления от начальной отметки – нуля в двух трубках U-образного манометра.

Рис. 3.3. U-образный жидкостный стеклянный мановаку-умметр: 1 – U-образная стеклянная трубка; 2 – крепежные скобы;    3   –   основание;    4   – шкальная пластина

       На рис.3.3 показан U-образный жидкостный стеклянный мановакуумметр. U-образная стеклянная трубка

1 с помощью скоб 2 крепится на металлическом или деревянном основании 3. На нем же между двумя трубками установлена шкальная пластина 4 с нанесенной линейной разметкой. Трубка заполняется рабочей жидкостью до нулевой отметки относительно шкальной пластины. Утолщения на концах стеклянной трубки предназначены для более плотного подсоединения резиновых шлангов. 

При измерении избыточного давления к одному концу U-образной трубки подается среда измеряемого давления. Второй выход остается свободным и сообщается с атмосферой. Аналогичная ситуация происходит при измерении вакуумметрического давления. Симметричность линейной разметки на шкальной пластине обеспечивает применимость прибора для измерения избыточного и (или) вакуумметрического давления.

При измерении дифференциального (разностного) давления «плюсовый» и «минусовый» каналы подсоединяются к концам стеклянной U-образной трубки

1. Из-за симметричности линейной разметки практически отсутствуют различия в соответствии подведенного давления
на концах трубки.

U-образные жидкостные манометры с водой в качестве рабочей жидкости могут использоваться как напоромеры, тягонапоромеры и тягомеры для измерения давления воздуха, неагрессивных газов в диапазоне ±10 кПа. При давлении ±0,1 МПа рабочей жидкостью манометра может служить ртуть. Такие приборы применяются для измерения давления воды, неагрессивных жидкостей и газов.    

Ниже приведены приблизительные оценки основных погрешностей, воздействующих, по данным С. Ф. Чистякова/2/, на точность показаний стеклянного жидкостного ма-нометра:

· погрешность градуировки шкалы составляет до 0,2-0,4 мм;

· смачиваемость стекла – капиллярные силы вносят неточность до 0,1-0,2 мм;

· отклонение прибора от строго вертикального положения может приводить к погрешности до 0,03 % на каждый градус.

Кроме этого, достаточно большую погрешность могут вносить: неравномерность сечения стеклянных трубок по их высоте, а при точных измерениях, как это следует из (3.3), варьирование плотности рабочей жидкости r_ж с изменением ее температуры, а также ускорение свободного падения g.

При использовании табличных данных погрешность определения плотности рабочей жидкости r_ж, по показателям разных авторов, не превышает 0,005 %. Следует обратить внимание на применение жидкостей, способных поглощать влагу или испаряться. Так, в большинстве случаев теоретическая и реальная плотности спиртов различаются, и табличные данные принимаются по некорректным начальным параметрам, что изначально приводит к появлению погрешности.

Некоторые производители к документации на жидкостный измеритель давления прилагают таблицу изменения плотности рабочей жидкости и поправок на вариацию этой плотности в зависимости от температуры, а также, например, для спиртов, таблицу зависимости плотности от его крепости.

Ускорение свободного падения g незначительно зависит от географической широты местности. его величина остается постоянной в рабочем регионе, не зависит от измеряемого давления, и поэтому вносимые этим параметром погрешности не превышают  10^–3-10^–4 %.

Визуальная оценка оператором уровня также может влиять на погрешность измерения. Разработаны различные методы снижения такой погрешности. Например, установка несложной оптической системы, позволяющей «накладывать» реальный и перевернутый мениски жидкости, обеспечивает значительное повышение точности отсчета уровня жидкости в жидкостном манометрическом приборе.

М. А. Гуляев и А. В. Ерюхин /24/ предложили в зависимости от применяемых способов следующие значения погрешностей отсчета уровня ртутного манометра:

· по миллиметровой шкале – ±1 мм;

· по зеркальной шкале – ±0,2-0,3 мм;

· с помощью нониусного устройства – ±0,05-0,1 мм;

· катетометром – ±0,2 мм;

· интерференционным методом – ±10^–5 мм.

   При отсчете измеряемого уровня необходимо учитывать свойства рабочих жидкостей, у которых угол смачиваемости x различен (рис. 3.4). Так, при использовании высокосмачиваемых жидкостей (вода, спирт) отсчет рекомендуется вести по вогнутой части мениска, а при применении несмачиваемых жидкостей (таких, как ртуть) – по выпуклой его части на оси трубки. Кроме этого, смачиваемость и текучесть жидкости предопределяют минимальный диаметр используемых трубок. При применении спирта в качестве рабочей жидкости рекомендуется минимальный внутренний диаметр стеклянных трубок 5 мм, ртути – 8 мм, воды – 15 мм.

Рис. 3.4. Вид менисков для различных жидкостей: а – смачивающей и  б – несмачивающей

      При использовании ртути в качестве рабочей жидкости, особенно при точных измерениях, когда в чашечных манометрах применяются капилляры и сечения широкого сосуда и капилляра существенно отличаются, может наблюдаться эффект капиллярной депрессии. Сущность этого эффекта состоит в различии уровней несмачиваемой жидкости в сообщающихся капилляре и широком сосуде при воздействии одного и того же давления на поверхности жидкостей в этих объемах.

В промышленных условиях, как следует из приведенного выше материала, требуется тщательный контроль применяемых в жидкостных манометрах стеклянных трубок, так как их внутренний диаметр на практике может колебаться от 8 до 12 мм, что вносит существенные погрешности в результат измерения.  

 По данным разных специалистов/25/, без дополнительных оптических приспособлений погрешность показаний стеклянных жидкостных манометров принимается в лучшем случае равной ±1 мм. При использовании U-образных жидкостных манометрических приборов отсчет двух уровней (на каждой трубке) приводит к погрешности измерений ±2 мм при температуре  окружающей  среды  20 ± 5 °С. Верхние пределы измерений для стеклянных жидкостных манометров 100, 160, 250, 400, 600 и 1000 мм. Соответственно при одной и той же погрешности отсчета высоты столба жидкости класс точности жидкостного прибора колеблется от 2 до 0,2.

   Для обеспечения корректности измерений обязательным является очистка внутренних поверхностей стеклянных трубок от пыли и грязи. С этой целью стеклянные жидкостные манометры промывают насыщенным раствором двухромовокислого калия (хромпика) в серной кислоте, затем – спиртом и водой.

Манометры перепада давления с U-образной трубкой

Устройства для измерения давления, использующие столбы жидкости в вертикальных или наклонных трубках, называются манометрами. Одним из наиболее распространенных является заполненный водой манометр с U-образной трубкой, используемый для измерения перепада давления в пито или отверстиях, расположенных в воздушном потоке в системе обработки воздуха или вентиляции.

На приведенном ниже рисунке показаны уровни воды в U-образной трубке, где левая трубка соединена с точкой с более высоким давлением, чем правая трубка. Пример: левая трубка может быть соединена с воздуховодом под давлением, когда правая трубка открытым для окружающего воздуха.

Vertical U-Tube Manometer

The pressure difference measured by a vertical U-Tube manometer can be calculated as

p _d = γ h  

    = ρ g h (1)

где

p _d = давление (Па, Н/м ² , фунт/фут ²⁰⁰⁴⁵

γ = ρ g = удельный вес жидкости в трубе (кН/м ³ , фунт/фут ³ )

2 плотность жидкости ( M ³ , LB/FT ³ )

G = ускорение гравитации (9,81 м/с ² , 32. 174 FT/S ² )

94 2 70017 . (м столба жидкости, футы столба жидкости)

Удельный вес воды, которая чаще всего используется в U-образных манометрах, составляет 9,81 кН/м ³ или 62,4 фунт/фут ³ .

Внимание! — головка блока с привязкой к плотности протекающей жидкости. Для других единиц измерения и эталонной жидкости, например, мм водяного столба , проверьте скорость напора.

Пример – Измерение перепада давления на диафрагме

Водяной манометр измеряет давление до и после диафрагмы, расположенной в воздушном потоке. Перепад высот в толще воды 10 мм .

Напор перепада давления можно рассчитать из (1) как 3 м/мм)

= 98 (N/M ² , PA)

, где

9,8 (KN/M ³ )-это удельный вес воды в SIUNITS .

• Расчет скорости

Наклонный U-образный манометр

Распространенной проблемой при измерении разности давлений в низкоскоростных системах или системах с жидкостями низкой плотности, таких как системы вентиляции воздуха, являются низкая высота колонны и низкая точность. Точность можно повысить, наклонив U-образный манометр.

На рисунке ниже показана U-образная трубка, в которой левая трубка подключена к более высокому давлению, чем правая. Обратите внимание, что левая и правая трубы должны находиться в одной наклонной плоскости, чтобы угол к горизонтальной плоскости был правильным.

Разница давления в наклонном манометре U-образной трубки может быть выражена как

P _D = γ H SIN (θ) (2)

, где

H = длины

, где

H =. , разность положения столба жидкости вдоль трубки (мм, фут)

θ = угол столба относительно горизонтальной плоскости (градусы)

Наклон трубчатого манометра повышает точность измерения.

Пример – измерение дифференциального давления с помощью манометра с наклонной U-образной трубкой

Мы используем те же данные, что и в приведенном выше примере, за исключением того, что U-образная трубка наклонена 45 ^o .

Гидростатический напор может быть выражен следующим образом:

p _d = (9,8 кН/м ³ ) (10 ³ Н/кН) (41 -390 мм) (41 -390) м/мм) sin(45 ^o )

    = 69,3 Н/м ² (Па)

Калькулятор U-образного манометра

Этот калькулятор можно использовать для расчета дифференциального давления, измеренного с помощью U-образного манометра.

γ — Специальный вес жидкости в трубе (кН/м ³ , фунт/фут ³ )

(9,8 кН/м ³ , 62.4 ³ значения по умолчанию для воды)

  h — длина столба жидкости вдоль трубы (мм, фут)

  θ — угол наклона колонки относительно горизонтальной плоскости (градусы)

SIIimperial

• Рассчитать скорость

9.

1 Давление газа – Химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить свойство давления
• Определение и преобразование единиц измерения давления
• Описать работу обычных приборов для измерения давления газа
• Расчет давления по данным манометра

Земная атмосфера оказывает давление, как и любой другой газ. Хотя обычно мы не замечаем атмосферного давления, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под воду. Давление газа обусловлено силой, действующей на молекулы газа, сталкивающиеся с поверхностями предметов (рис. 1). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади испытывает большое количество столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если его не уравновешивает равное давление внутри контейнера.

Рисунок 1. Атмосфера над нами оказывает большое давление на объекты на поверхности земли, примерно равное весу шара для боулинга, дающего площадь размером с ноготь большого пальца человека.

Яркая иллюстрация атмосферного давления представлена ​​в этом коротком видеоролике, в котором показано, как железнодорожная цистерна взрывается при снижении внутреннего давления.

Кратко объясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Атмосферное давление обусловлено весом столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например, автоцистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике у двери, или у типичного шара для боулинга на ногте большого пальца. Это может показаться огромным количеством, и это так, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле держите шар для боулинга на ногте большого пальца, испытанное давление равно 9. 0098 два раза давление обычное, а ощущение неприятное.

В общем, давление определяется как сила, действующая на данную площадь: . Обратите внимание, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади. Таким образом, давление можно увеличить либо за счет увеличения силы, либо за счет уменьшения площади, на которую она воздействует; давление можно уменьшить, уменьшив силу или увеличив площадь.

Давайте применим эту концепцию, чтобы определить, кто с большей вероятностью провалится под тонкий лед на рис. 2 — слон или фигурист? Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре фута, каждый из которых имеет диаметр около 1,5 фута (площадь следа 250 на 9 м).0041 2 ), поэтому давление, оказываемое каждой ногой, составляет около 14 фунтов/дюйм ² :

Фигурист весит около 120 фунтов и поддерживается двумя лезвиями коньков, каждое из которых имеет площадь около 2 дюймов ² , поэтому давление, оказываемое каждым лезвием, составляет около 30 фунтов/дюйм ² :

Несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее конькобежца, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет на тонкий лед. С другой стороны, если фигуристка снимает коньки и стоит босиком (или в обычной обуви) на льду, большая площадь, на которую приходится ее вес, значительно снижает оказываемое давление:

Рисунок 2. Хотя (а) вес слона велик, что создает очень большую силу на землю, (б) фигуристка оказывает гораздо большее давление на лед из-за малой площади поверхности ее коньков. (кредит а: модификация работы Гвидо да Роззе; кредит б: модификация работы Рёске Яги)

Единицей давления в СИ является паскаль (Па) , где 1 Па = 1 Н/м ² , где Н — ньютон, единица силы определяется как 1 кг м/с ² . Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы измерения килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100 000 Па). В Соединенных Штатах давление часто измеряется в фунтах силы на площади в один квадратный дюйм — фунтов на квадратный дюйм (psi) — например, в автомобильных шинах. Давление также можно измерить с помощью единицы атмосферы (атм) , которая первоначально представляла собой среднее атмосферное давление на уровне моря приблизительно на широте Парижа (45°). В таблице 1 представлена ​​некоторая информация об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

. 7 p s i. The next unit name is atmosphere, and is is abbreviated as a t m. The definition or relation to other unit is 1 a t m equals 101,325 P a and air pressure at sea level is approximately one a t m. The next unit name is bar, and it is abbreviated as bar or b. The definition or relation to other unit is 1 bar equals 100,000 P a exactly and commonly used in meteorology. The next unit name is millibar, and it is abbreviated as m b a r or m b. The definition or relation to other unit is 1000 m b a r equals one bar. The next unit name is inches of mercury, and it is abbreviated as i n period, H g. The definition or relation to other unit is one i n period H g equals 3386 P a and is used by the aviation industry and also some weather reports. The next unit is torr. The definition or relation to other unit is 1 torr equals 1 over 760 a t m and named after Evangelista Torricelli, inventor of the barometer. The last unit name is millimeters of mercury, and it is abbreviated as m m H g. The definition or relation to other unit is 1 m m H g is approximately 1 torr. «>

Наименование и сокращение подразделения	Определение или связь с другим блоком
паскаль (Па)	1 Па = 1 Н/м 2 рекомендованный блок ИЮПАК
килопаскаль (кПа)	1 кПа = 1000 Па
фунтов на квадратный дюйм (psi)	давление воздуха на уровне моря составляет ~14,7 фунтов на квадратный дюйм
атмосфера (атм)	1 атм = 101 325 Па атмосферное давление на уровне моря ~1 атм
бар (бар или б)	1 бар = 100 000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мб)	1000 мбар = 1 бар
дюймов ртутного столба (дюймы ртутного столба)	1 дюйм ртутного столба = 3386 Па используется авиационной промышленностью, а также некоторые сводки погоды
торр	назван в честь Евангелиста Торричелли, изобретателя барометра .
миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.)	1 мм рт.ст. ~1 торр
Таблица 1.  Единицы давления

Пример 1

Преобразование единиц давления
Национальная метеорологическая служба США сообщает о давлении как в дюймах ртутного столба, так и в миллибарах. Преобразуйте давление 29,2 дюйма ртутного столба в:

(a) торр

(b) атм

(c) кПа

(d) мбар

Решение
Это проблема преобразования единиц измерения. Соотношения между различными единицами измерения давления приведены в таблице 1.

(a)

(b)

(c)

(d)

Проверьте свои знания
Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Чему равно это давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба, килопаскалях и барах?

Ответ:

0,974 атм; 740 мм рт. ст.; 98,7 кПа; 0,987 бар

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, оказываемую атмосферой на поверхность земли, с помощью 9барометр 0096 (рис. 3). Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца и заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в сосуд с этой жидкостью. Атмосфера давит на жидкость снаружи трубки, столб жидкости давит внутри трубки, а давление на поверхности жидкости внутри и снаружи трубки одинаково. Таким образом, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению атмосферы.

Рис. 3. В барометре высота столба жидкости ч используется для измерения атмосферного давления. Использование очень плотной жидкой ртути (слева) позволяет создавать барометры разумного размера, тогда как использование воды (справа) потребует барометра высотой более 30 футов.

Если жидкость представляет собой воду, нормальное атмосферное давление будет поддерживать столб воды высотой более 10 метров, что довольно неудобно для изготовления (и считывания) барометра. Поскольку ртуть (Hg) примерно в 13,6 раза плотнее воды, ртутный барометр должен быть такой же высоты, как водяной барометр — более подходящего размера. Стандартное атмосферное давление 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует ртутному столбу высотой около 760 мм (290,92 дюйма) в высоту. Первоначально предполагалось, что торр будет единицей, равной одному миллиметру ртутного столба, но больше не соответствует точно. Давление, создаваемое жидкостью под действием силы тяжести, известно как гидростатическое давление , p :

.

, где h — высота жидкости, ρ — плотность жидкости, а g — ускорение свободного падения.

Пример 2

Расчет барометрического давления
Приведите расчет, подтверждающий утверждение о том, что атмосферное давление на уровне моря соответствует давлению столба ртути высотой около 760 мм. Плотность ртути = 13,6 г/см ³ .

Раствор
Гидростатическое давление дается р = Hρg , с H = 760 мм, ρ = 13,6 г/см ³ и G 9009 = 9. 814141/S.8141/S.8141/S.8141/S ^{/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S.8141/S. 2} . Подставив эти значения в уравнение и выполнив необходимые преобразования единиц измерения, мы получим искомое значение. (Примечание: мы ожидаем найти давление ~101 325 Па:)

Проверьте свои знания
Рассчитайте высоту водяного столба при температуре 25 °C, которая соответствует нормальному атмосферному давлению. Плотность воды при этой температуре составляет 1,0 г/см ³ .

Ответ:

10,3 м

Манометр — это устройство, похожее на барометр, которое можно использовать для измерения давления газа, находящегося в контейнере. Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, другое плечо, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними. Как и в случае с барометром, расстояние между уровнями жидкости в двух ответвлениях трубки ( ч на диаграмме) пропорциональна давлению газа в баллоне. Манометр с открытым концом (рис. 4) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно его плечо открыто в атмосферу. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в сосуде и атмосферой.

Рис. 4. Манометр можно использовать для измерения давления газа. (Разница) высоты между уровнями жидкости ( ч ) является мерой давления. Ртуть обычно используется из-за ее большой плотности.

Пример 3

Расчет давления с помощью манометра с закрытым концом
Давление пробы газа измеряется с помощью манометра с закрытым концом, как показано справа. Жидкость в манометре – ртуть. Определить давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Раствор
Давление газа равно ртутному столбу высотой 26,4 см . (Давление на нижней горизонтальной линии одинаково по обеим сторонам трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — давлением 26,4 см ртутного столба, или ртутью. ) Мы могли бы использовать уравнение 9.0098 p = hρg , как в примере 2, но проще просто преобразовать единицы измерения с помощью таблицы 1. пробы газа измеряют манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре – ртуть. Определить давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Ответ:

(а) ~150 торр; (б) ~20 000 Па; (в) ~0,20 бар

Пример 4

Расчет давления с помощью манометра с открытым концом
Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом, как показано справа. Определить давление газа в:

(a) мм рт.ст.

(b) атм

(c) кПа

Раствор
Давление газа равно гидростатическому давлению столба ртути высотой 13,7 см плюс давление атмосферы на уровне моря. (Давление на нижней горизонтальной линии одинаково по обеим сторонам трубы. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 13,7 см рт. ст. плюс атмосферное давление.)

(a) В мм рт. ст. это: 137 мм рт. ст. + 760 мм рт. ст. = 897 мм рт. ст. на уровне моря с помощью ртутного манометра с открытым концом, как показано справа. Определить давление газа в:

(а) мм рт.ст.

(б) атм

(в) кПа

Ответ:

(а) 642 мм рт.ст.; (б) 0,845 атм; (в) 85,6 кПа

Измерение артериального давления

Артериальное давление измеряется с помощью устройства, называемого сфигмоманометром (греч. sphygmos = «пульс»). Он состоит из надувной манжеты для ограничения кровотока, манометра для измерения давления и метода определения момента начала кровотока и момента, когда он становится затрудненным (рис. 5). С момента своего изобретения в 1881 году он был незаменимым медицинским устройством. Существует много типов сфигмоманометров: ручные, для которых требуется стетоскоп и которые используются медицинскими работниками; ртутные, используемые, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать с небольшой подготовкой, но которые имеют ограничения. При использовании сфигмоманометра манжету надевают на плечо и надувают до полной блокировки кровотока, затем медленно отпускают. Когда сердце бьется, кровь, проталкиваемая по артериям, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, является систолическое давление— пиковое давление в сердечном цикле. Когда давление в манжете равно артериальному систолическому давлению, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа. За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к следующему сокращению. По мере того как давление в манжете продолжает снижаться, в конце концов звук перестает быть слышимым; это диастолическое давление — самое низкое давление (фаза покоя) в сердечном цикле. Единицы измерения артериального давления сфигмоманометра выражены в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Рисунок 5. (a) Медицинский техник готовится измерить артериальное давление пациента с помощью сфигмоманометра. (b) В типичном сфигмоманометре используется резиновая груша с клапаном для надувания манжеты и манометр с диафрагмой для измерения давления. (кредит: модификация работы старшего сержанта Джеффри Аллена)

Метеорология, климатология и атмосферные науки

На протяжении веков люди наблюдали за облаками, ветрами и осадками, пытаясь различить закономерности и предсказать: когда лучше сажать и собирать урожай; безопасно ли отправляться в морское путешествие; и многое другое. Сейчас мы сталкиваемся со сложными проблемами, связанными с погодой и атмосферой, которые окажут серьезное влияние на нашу цивилизацию и экосистему. Несколько различных научных дисциплин используют химические принципы, чтобы помочь нам лучше понять погоду, атмосферу и климат. Это метеорология, климатология и наука об атмосфере. Метеорология изучает атмосферу, атмосферные явления и влияние атмосферы на погоду на Земле. Метеорологи стремятся понять и предсказать погоду в краткосрочной перспективе, что может спасти жизни и принести пользу экономике. Прогнозы погоды (рис. 6) являются результатом тысяч измерений атмосферного давления, температуры и т. д., которые компилируются, моделируются и анализируются в метеорологических центрах по всему миру.

Рисунок 6. Метеорологи используют карты погоды для описания и предсказания погоды. Области высокого (H) и низкого (L) давления оказывают большое влияние на погодные условия. Серые линии представляют места постоянного давления, известные как изобары. (кредит: модификация работы Национального управления океанических и атмосферных исследований)

С точки зрения погоды, системы низкого давления возникают, когда атмосферное давление на поверхности земли ниже, чем в окружающей среде: влажный воздух поднимается вверх и конденсируется, образуя облака. Движение влаги и воздуха в пределах различных погодных фронтов провоцирует большинство погодных явлений.

Атмосфера — это газовый слой, окружающий планету. Атмосфера Земли, толщина которой составляет примерно 100–125 км, состоит примерно из 78,1% азота и 21,0% кислорода, и ее можно разделить на области, показанные на рисунке 7: экзосфера (самая удаленная от Земли,> 700 км над уровнем моря) , термосфера (80–700 км), мезосфера (50–80 км), стратосфера (второй нижний уровень нашей атмосферы, 12–50 км над уровнем моря) и тропосфера (до 12 км над уровнем моря, примерно 80% земной атмосферы по массе и слой, в котором происходит большинство погодных явлений). По мере того, как вы поднимаетесь выше в тропосфере, плотность воздуха и температура уменьшаются.

Рисунок 7. Атмосфера Земли состоит из пяти слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы.

Климатология — это изучение климата, усредненных погодных условий за длительные периоды времени с использованием атмосферных данных. Однако климатологи изучают закономерности и эффекты, происходящие в течение десятилетий, столетий и тысячелетий, а не более короткие временные рамки часов, дней и недель, как метеорологи. Наука об атмосфере — еще более широкая область, объединяющая метеорологию, климатологию и другие научные дисциплины, изучающие атмосферу.

Газы оказывают давление, которое равно силе на единицу площади. Давление газа может быть выражено в единицах СИ паскаль или килопаскаль, а также во многих других единицах, включая торр, атмосферу и бар. Атмосферное давление измеряется с помощью барометра; другие давления газа могут быть измерены с использованием одного из нескольких типов манометров.