Измерение давления газа разными способами: Как замерить давление газа — Инженер ПТО

10.4. Измерение давления газа

P = F/S 

где F-сила, ньютон, Н; S- площадь, m2.

Единица 1 Н/м2 = 1 Па, а 1 атм = 101325 Па, внесистемная единица давления «бар» равна 105 Па.Для измерения давления широко применяют ртутные и водяные манометры. С ними связаны еще две единицы измерения давления: миллиметр ртутного столба, сокращенно — мм рт. ст., или торр, и миллиметр водяного столбе сокращенно — мм вод. ст., или мм Н2O.

Обозначение единицы давления «торр» связано с именем Торричелли, Эванджелиста (1608 — 1647) — итальянского физика и математика, ученика Г. Галлилея. Торричелли впервые изобрел ртутный барометр. Единица давления 1 торр равна гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание при 0 °С. Единица давления 1 мм вол. ст. равна гидростатическому давлению столба воды высотой 1 мм на плоское основание при +4 °с

Соотношения между единицами измерения давления: 1 торр = 133,322 Па 1 атм = 760 торр, 1 торр = 13,5951 мм вод. ст., 1 мм вод. ст. = 9,807 Па = 7,678-10

-2 торр.

Для измерения давления применяют жидкостные, мембранные, пружинные, тепловые и электрические манометры различных конструкций с использованием простых и сложных электронных и оптических схем.

Манометры, предназначенные для измерения атмосферного давления, называют барометрами (от греч. baros — тяжесть и metreo — измеряю), для измерения давления ниже атмосферного — вакуумметрами, а для измерения разности двух давлений ни одно из которых не является атмосферным, — дифманотрами, или дифференциальными манометрами.

Жидкостные манометры. Жидкостные манометры — самые простые и точные приборы для измерения давления. В таком приборе измеряемое давление (или вакуум) либо разность давлений уравновешиваются давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения давления жидкостными манометрами — от 10^-4 до 10

5 Па (или от 10^-6 до 760 торр).

Жидкостные манометры делят на две большие группы: барометры и вакуумметры. Их применяют в основном для определения давления в лабораторных условиях и для проверки других манометров.

Манометрической жидкостью в жидкостных манометрах чаще всего является ртуть, а при малых диапазонах измерения давления — вода, этанол, толуол, силиконовое масло. 

Ртуть в обычных условиях имеет очень небольшое давление пара и обладает неизмеримо малой способностью растворять газы.

Рис. 241. Ртутный барометр (в). Высота мениска (б). U-образный барометр с отрытым коленом (в) и U-образный дифбарометр (г)

Однако высокое поверхностное натяжение ртути приводит к тому, что ее мениск даже в достаточно широких трубках имеет выпуклый вид. Обусловленная этим явлением погрешность измерений для манометрических трубок с внутренним диаметром 8 мм составляет около минус 0,07 мм, а при диаметре 16 мм -примерно минус 0,01 мм.

Ртутные барометры делят на чашечные с вертикальным расположением барометрической трубки, U-образные и на приборы с наклонной барометрической трубкой.

В первом типе приборов чашка 5 (рис. 241,а), наполненная ртутью, непосредственно сообщается с атмосферой через защитный патрон 6, а барометрическая трубка 3 имеет запаянный конец и снабжена наружной шкалой 1 с подвижной шкалой-нониусом 4, позволяющей измерять положение мениска ртути с погрешностью ±0,1 мм. Положение мениска ртути и определяет внешнее атмосферное давление в мм рт. ст. Защитный патрон 6 служит для предотвращения попадания пыли на открытую поверхность ртути в сосуде 5. Он содержит активированный уголь, пропитанный иодом, и закрыт с двух сторон полимерной ватой. Такой фильтр защищает ртуть от пыли и одновременно не позволяет проникать пару ртути из сосуда 5 в помещение.

Для приготовления адсорбента 20 г активированного угля пропитывают раствором, содержащим 5 г иода в 50 мл метанола, отфильтровывают и высушила воздухе.

Прежде чем проводить какие-либо отсчеты, барометр устанавливают строго вертикально по отвесу 7. Отклонение на 1° от вертикали вызывает погрешность в измерении давления ±0,1 мм при высоте столбика ртути h=760 торр.

Отсчет значения h, берут от нижней нулевой точки шкалы когда острие 8 касается поверхности ртути, до верхней линии 0-0 мениска ртути в трубке 3 (рис. 241,6). При оценке положения мениска он должен находиться на уровне глаз. Вследствие отражения делений шкалы, нанесенных на трубку, от поверхности ртути, положение верхней точки мениска трудно заметить. Поэтому отсчет для барометрических трубок с нанесенными на них делениями рекомендуют брать на фоне передвижном полости бумаги или стекла, имеющей одну половину черную -другую белую (см. рис. 81,е). Окулярную нить зрительной трубы для отметки 0-0 (на рис. не показана) устанавливают так, чтобы деления шкалы, если она нанесена на барометрическую трубку оказались сбоку, а не перед глазами.

Истинное расстояние h отвечающее температуре 1 между острием 8 и верхней точкой мениска 0-0 на шкале, отличается из-за термического расширения шкалы от произведенного отсчета ht и равно:

(Ю.2)

где отсчет по шкале при температуре t, — температура, при которой градуировалась шкала; а — коэффициент линейного расширения материала шкалы; значения а для стекла и латуни равны соответственно 1 • 10^-5 и 2 • 10^-5 на 1 °С.

После приведения значения ht, к истинному ht0 вносят еще и температурную поправку. Тогда

(10.3)

где beta — коэффициент объемного расширения ртути, равный 1,8168*10^-4 на 1 °С в температурном интервале 0—100 ^oC.

Эта поправка приводит объем ртути, отвечающий температуре t, к объему, занимаемому ею при 0 °С. Поэтому ртутные манометры в процессе измерения давления должны быть защищены от изменения температуры вдоль барометрической трубки. Погрешность в оценке температуры на 1 °С будет соответствовать погрешности 0,12 мм при определении давления.

Если ртутный барометр содержит над ртутью остаточный воздух, то исключить его влияние на показания прибора можно только калибровкой такого барометра по образцовому прибору

Ртутный барометр U-образного типа с открытым концом (рис. 241,в) имеет около изгиба сужение 3 для того, чтобы резкие колебания давления не привели к выбросу ртути. Этот типы манометров широко применяют для измерения давлений от 5 до 300 торр. При измерениях трубку 4 соединяют с системой повышенного давления, а трубку 1, снабженную шкалой 2, оставляют открытой на атмосферу.

Тогда давление в системе, связной с манометром через трубку 4, будет равно алгебраической сумме показаний барометра, расположенного вблизи, и данного барометра.

В показания этих двух барометров вносят все поправки, рассмотренные выше при описании барометра. Наиболее серьезным источником погрешностей является капиллярное понижение мениска ртути. В табл. 35 приведены поправки на это явление, которые прибавляют к наблюдаемой высоте ртутного столба.

Данными табл. 35 можно пользоваться только при работе с совершенно сухой и чистой ртутью . Из табл. 35 видно, что применение для манометров трубок небольшого внутреннего диаметра приводит к неприемлемо высоким значениям капиллярного понижения мениска ртути, которое сильно зависит от высоты мениска 1. Поэтому применять для ртутных Урометров и манометров трубки с диаметром меньше 8 мм не Рекомендуют.

Если сечения левой и правой трубок барометра и манометра одинаковы и мениски ртути имеют одну и ту же высоту l, то никаких добавочных измерений проводить не нужно. Если же диаметры трубок разные и мениски ртути не одинаковы по высоте, то следует ввести поправку, представляющую собой разить поправок для верхнего и нижнего менисков.

Рис. 242. Наклонный барометр (а) и U-образный вакуумметр (б)

Перед началом измерений U-образным барометром проводят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена а в дифбарометре (рис. 241,г), соединив оба колена между собой при помощи крана 3 при закрытых кранах 1 и 2 По закону сообщающихся сосудов уровни в обоих коленах при этом устанавливаются на одной горизонтали. Перемещая шкалу 4 вверх или вниз, совмещают ноль шкалы с этой горизонталью.

Наклонный барометр с открытым концом 1 (рис. 242,а) обладает более высокой чувствительностью к изменениям давления по сравнению с U-образным вертикальным барометром. В наклонном колене 3 ртуть продвигается на большее расстояние 1 и измеряемое давление ее столба по шкале 2 равно

(10.4)

где α — угол наклона трубки к горизонтали.

Жидкостные вакуумметры — приборы для измерения небольших давлений газа в системе (вакуум от лат. vacuum — пустота). Вакуум считают низким, если давление соответствует 100 — Па Па (примерно, 1 — 100 торр), среднему вакууму отвечает давление от 100 до 0,1 Па, и высокому — от 0,1 до 10^-6 Па.

Для измерения низкого вакуума в интервале 600 — 4*10

-4 Па (5 — 300 торр) в лабораториях широко используют U-образный вакуумметр (рис. 242,6). Он является составной частью любой установки по вакуумной перегонке жидкостей (см. разл-8.4).

Высота вакуумметрической трубки 1 определяет значение измеряемого давления. Внутренний диаметр этой трубки равен 9-10 мм.

Критерием отсутствия воздуха в трубке 1 служит появления резкого звука, когда ртуть ударяется в запаянный конец трубки Если в трубке 1 виден хотя бы мельчайший пузырек воздуха вакуумметр нельзя использовать.

 

Другие части:

10.4. Измерение давления газа . Часть 1

10.4. Измерение давления газа . Часть 2

10.4. Измерение давления газа . Часть 3

 

 

К оглавлению

классификация и устройство прибора, как подобрать нужный тип

Устройство манометров для измерения давления газа

Манометры предназначены для измерения давления в инженерных сетях
Манометр для газа помогает узнавать значения дифференциального, избыточного или полноценного давления в общих технических целях. Такие приборы делятся на несколько категорий по особенностям работы, назначению и типу измеряемых данных. Механизм стандартного вида включает в себя корпус с защитным стеклом, трубку Бурдона, рычажно-зубчатую передачу и шкалу с указательной стрелкой.

В процессе измерения показателей давление внутри прибора воздействует на трубку с внутренней стороны и смещает ее незакрепленный конец. После в движение приходит стрелка, останавливающаяся на нужной отметке. Хорошие регуляторы для газообразных сред имеют повышенный уровень стойкости к вибрациям с частотой, которая не может превышать 10-55 Гц, амплитуду со смещением до 0,15 мм, а также классы точности, варьирующиеся от 1 до 2,5.

Приборы для измерения давления

Нередко появляется острая необходимость в приборе для измерения давления жидкостей и газов. Рабочие рамки давления требуют непрерывного контроля в каждой трубопроводной системе или емкости, и для этого применяют устройства для измерения давления газа или измерительные установки. Хороший измеритель давления газа будет гарантом постоянной работы оборудования, независимо от используемой системы, где присутствует давление, будь это газовый трубопровод, отопительная схема или кругооборот замкнутого типа.

Факторы, которые стоит учитывать при выборе газового измерительного устройства:

• Какой принцип работы.
• Вид измеряемого давления.
• Разновидность класса точности.
• Применение и его назначение.

Манометры давления

Манометр – это измерительное устройство или установка для измерения дифференциального (например, dp05 датчик дифференциального давления жидкостей газов), абсолютного или избыточного давления. Наиболее распространенные предназначены для измерения только избыточного давления. «Ноль» в таком устройстве находится в соответствии с уровнем давления воздуха. Есть манометры, которые предназначены для универсального измерения, например, фд 09 — измеритель давления газа.

В чем измеряется давление газа

1 Ньютон на метр квадратный равен 1 Паскаль, а 1 атмосфера равна 101325 Паскаль. Такая единица, как «Бар» равна 105 Па.

По назначению выделяют следующие виды манометров для измерения давления газа:

• Общетехнические.
• Эталонные.
• Специальные.

Какими приборами измерить давление газа

На данный момент, передовые технологии позволяют использовать разные типы устройств, что показывают значение давления в определенных интервалах:

• Электронные манометры – приборы высокоточные. Такие устройства могут работать от 0, до предельных температурных значений. Одним из таких устройств является электронный манометр для измерения давления газа ht.
• Мановакуумметры используется при чрезмерных характеристиках от — до +.
• Вакуумметры (подразделяются на тягомеры и менее распространенные тягонапоромеры) предназначены для пониженного атмосферного давления в диапазоне от -1 до 0.
• Манометры, что предназначены для экстремально пониженных значений до +40 кПа.

Установка манометра

Устройство должно быть расположено на открытом месте не выше 3 метров от уровня площадки, чтобы службы контроля смогли распознать его показания. Манометр устанавливают на трубопроводе между запирающей арматурой и емкостью.

Корпус устройства в поперечнике по правилам должен быть больше или равняться 10 см.

Для того, чтобы отличить тип используемого манометра, они окрашены в разные тона.

• Голубой – используется в кислородных устройствах.
• Желтый – для аммиачных устройств.
• Красный – для воспламеняемых газов.
• Черный – для не горящих газов.
• Белый – используется для устройств с ацетиленом

Установка манометра может производиться несколькими способами:

• Прямым путем.
• На трехходовой кран.
• С помощью импульсивной трубки.

Требования к манометрам

Цвет корпуса указывает на тип измеряемого газа: желтый — аммиак, голубой — кислород, черный — негорючие, красный — горючие
Точные показатели, в соответствии с которыми устройство проводит замеры, напрямую зависит от правильности его подбора и монтажа в сочетании с эксплуатационными условиями. При подборе нужно учитывать физические и химические свойства измерительной среды и предполагаемые данные по давлению. Например, для условий с высоким содержанием агрессивных газов, лучше приобретать специальные приборы, изготовленные из прочных материалов. Диаметр стекла манометра должен быть не меньше 10 или 16 см, если его размещают на дистанции от 2 до 3 метров.

Устройства, применяемые в газовых средах, имеют различные оттенки корпуса, к примеру, голубой указывает на работу с кислородом, желтый с аммиаком, красный и черный подходят для горючих и негорючих газов соответственно. По правилам безопасности не рекомендуется пользоваться манометрами с истекшим сроком поверки, а также при отсутствии пломбы или отметки о проведении этой процедуры. Если стрелка прибора не возвращается к нулевому показателю после отключения, он тоже считается нерабочим.

Любые повреждения, например, деформации корпуса или разбитое стекло, указывают на то, что регулятор нужно менять, поскольку они напрямую влияют на точность работы измерителя.

Классификация манометров по виду измеряемого давления

Классификация регуляторов с учетом типа давления:

• вакуумметры и мановакуумметры;
• барометры;
• напоромеры;
• дифманометры;
• тягомеры.

Принцип работы любого из них зависит от строения, помимо этого нужно учитывать, что измерители разделяются на категории в пределах единого класса с учетом уровня точности.

Приборы, работающие по вакуумному принципу, предназначены для разреженного газа. Напоромеры способны определить параметры предельного давления с показателями до 40 кПа, тягомеры до -40 кПа. Другие дифференциальные устройства помогают узнавать разность показателей в любых двух точках.

Барометры чаще всего применяют с целью уточнить только атмосферное давление в конкретной среде.

Классификация по способу функционирования

По способу работы приборы могут быть водяными, электрическими или цифровыми, помимо этих категорий существуют и другие разновидности.

Водяные

Водяные устройства действуют по принципу уравновешивания газового вещества давлением, формирующим столб с жидкостью. Благодаря им можно уточнить уровень разреженности, разность, избыточные и атмосферные данные. В эту группу входят регуляторы U-образного типа, конструкция которых напоминает сообщающиеся сосуды, причем давление в них определяется с учетом уровня воды. Также к водяным причисляют компенсационные, чашечные, поплавковые, колокольные и кольцевые газомеры, рабочая жидкость внутри них аналогична чувствительному элементу.

Электрические

Тензорезистивный электрический манометр
Этот прибор для измерения давления бытового газа преобразует его в электрические данные. В эту категорию входят тензорезистивные и емкостные манометры. Первые меняют показания проводникового сопротивления после деформации и измеряют показатели до 60-10 Па с незначительными погрешностями. Их применяют в системах с быстро протекающими процессами. Емкостные газомеры влияют на подвижный электрод в виде мембраны, прогиб которой можно определить электрической схемой, они подходят для систем с ускоренными падениями давления.

Цифровые

Цифровые или электронные приборы относятся к устройствам высокой точности и чаще всего используются для монтажа в воздушной или гидравлической среде. Из плюсов таких регуляторов отмечают удобство и компактные размеры, максимально долгий срок эксплуатации и возможность проводить калибровку в любое время. В основном их применяют, чтобы контролировать состояние узлов транспортных средств. Помимо этого газомеры цифрового типа включают в состав топливных магистралей.

Другие

Помимо регуляторов со стандартными характеристиками и настройками для получения точных данных используются приборы других типов. В этот перечень входят грузопоршневые газомеры, которые представляют собой своеобразные образцы для поверки аналогичных устройств. Их главная рабочая деталь – измеряющая колонка, от состояния и точности показаний которой меняется величина погрешности. Во время работы цилиндр удерживается внутри поршня на нужном уровне, одновременно с одной стороны на него влияют грузы калибровки, с другой только давление.

Устройство ЭКМ

ЭКМ является устройством, имеющий форму цилиндра и очень похожим на обычный манометр. Но в отличие от него в состав ЭКМ входят две стрелки, задающие значения уставок: Рмакс и Рмин (их перемещение осуществляется по шкале циферблата в ручную). Подвижная стрелка, показывающая реальное значение измеряемого давления коммутирует контактные группы, которые замыкаются или размыкаются при достижении ей выставленного значения. Все стрелки располагаются на одной оси, но места, в которых они закреплены, изолированы и не соприкасаются друг с другом.

Ось индикаторной стрелки изолирована от деталей прибора, его корпуса и шкалы. Она совершает вращения независимо от других.

К подшипникам, с помощью которых крепятся стрелки, подведены специальные токоведущие пластины (ламели), соединенные с соответствующей стрелкой, а с другой стороны эти пластины выведены в контактную группу.

Помимо вышеперечисленных составляющих, ЭКМ как и любой манометр имеет также чувствительный элемент. Почти во всех моделях, этим элементом является трубка Бурдона, которая перемещается вместе со стрелкой, жестко закрепленной на нём, также в роли данного элемента для датчиков, измеряющих давление среды более 6 МПа, используется многовитковая пружина.

Классификация по функционалу

Калибровка аналоговых манометров
По своему назначению манометр для газа высокого либо низкого давления бывает общетехническим, эталонным или специальным.

Общетехнические

Подобные приборы помогают измерять показатели максимального и вакуумметрического давления и применяются чаще всего на производстве, в том числе в процессе технологических работ. Они подходят для проведения измерений в газообразных средах, причем они должны быть неагрессивными для сплавов из меди при температурном режиме до 150 градусов. Эти устройства выдерживают вибрационные колебания с пределами от 10 до 55 Гц, амплитуду до 0,15 мм, класс точности у них варьируется от 1 до 2,5.

Эталонные

Приборы этого типа разработаны с целью тестирования, настраивания и калибровки прочих устройств для обеспечения максимально точных замеров. Подобные манометры для измерения давления газа разделяют на три категории, их перечень включает контрольные и образцовые регуляторы, а также их аналоги, предназначенные для обыкновенных и композитных баллонов. Газомеры первого типа применяются чаще всего и помогают контролировать достоверность данных приборов в местах установки, их рабочий предел колеблется в промежутке от 0,06 до 1600 бар.

Специальные

Специальные регуляторы создают под конкретный тип газа, а также среду, образуемую им. Корпусы таких устройств красят в разнообразные цвета с учетом типа вещества, для которых они предназначены. Манометры такого назначения делают из прочных материалов, способных выдерживать воздействие газообразных сред. Они считаются наиболее распространенными и отличаются простой конструкцией.

Виды измерительных приборов

Приборы для измерения давления подразделяются на такие разновидности:

• Тягонапоромеры — это мановакуумметр, который имеет крайние пределы измерения не выше 40 кПа.
• Тягомеры — вакуумметр, который имеет предел измерения равный (-40) кПа.
• Напорометр — это манометр малого избыточного давления (+40) кПа.
• Мановакуумметры — это устройства, которые способны измерять как вакуумметрическое, так и избыточное давление в пределах 60−240000 кПа.
• Вакуумметр — устройство, измеряющее разрежение (давление, которое ниже атмосферного).
• Манометр — устройство, которое способно измерять избыточное давление, то есть разность между абсолютным давлением и барометрическим. Его пределы колеблются от 0,06 до 1000 МПа.

Большинство импортных и отечественных манометров изготавливаются по всем общепринятым стандартам. Именно по этой причине существует возможность замены одной марки на другую.

При выборе прибора необходимо опираться на такие показатели:

• Расположение штуцера — осевое или радиальное.
• Диаметр резьбы штуцера.
• Класс точности прибора.
• Диаметр корпуса.
• Предел измеряемых значений.

Виды устройств

По строению и принципу действия бывает 5 основных видов датчиков:

• жидкостные;
• пружинные;
• электроконтактные;
• мембранные;
• дифференциальные.

Пружинные и жидкостные приборы — самые популярные. Они достаточно точны и надёжны при своей низкой цене. Эти два вида хорошо подходят для частных домов и небольших предприятий. В большинстве котельных используются именно пружинные манометры.

Диапазон измерения давления газа

Это самый важный параметр при выборе измерительного оборудования для котельной.

Главное, чтобы рабочее давление в трубе котла попадало в диапазон 1/3—2/3 шкалы измерения прибора. Если давление меньше, то погрешность замеров слишком высока, а если больше — прибор будет перегружаться и выйдет из строя раньше гарантийного срока.

Класс точности

Чем меньше этот показатель, тем точнее прибор. Класс точности — это процент погрешности замеров от шкалы измерения.

Погрешность нетрудно рассчитать, например, если устройство на 10 атм. имеет класс точности 1,5 ед., то его допустимая погрешность составляет 1,5%. Если показатель прибора больше, то его необходимо заменить.

Установить неисправность можно только при помощи эталонного манометра, этим занимается специальная организация, которая производит поверку оборудования. К системе подключают высокоточный прибор, а затем сравнивают показания.

Размер

Диаметр устройства подбирается в зависимости от назначения.

• 50, 63 мм — для установки на переносном оборудовании или для контроля давления кислородных баллонов, сварочных аппаратов.
• 100 мм — самый распространённый размер, наиболее удобен в большинстве случаев.
• 160 мм, 250 мм — для контроля приборов, которые расположены визуально далеко, например, под потолком котельной.

Функциональная нагрузка

По виду функциональной нагрузки устройства бывают:

• Показывающие — это приборы технического направления. Измеряют давление.
• Сигнализирующие — управляют внешней электрической цепью.
• Для точного измерения имеют класс точности 0,6—1,0 ед.
• Образцовые используются для проверки точности других приборов.
• Самопишущие записывают давление в виде диаграммы на бумаге.

Фото 2. Образцовый манометр для газового котла. Прибор обладает высокой точностью, его применяют для калибровки других устройств.

Эксплуатационные условия

Прибор подбирается с учётом среды, в которой он будет использоваться. Среда может быть разной, в том числе и агрессивной

Существуют аппараты с разными корпусами, важно учесть, будет ли он работать в условиях влажности, запылённости, вибрации, чтобы исключить развитие коррозии или повреждение корпуса

Критерии выбора приборов

Оптимальный вариант — регулятор со шкалой от 0 до 10 атм
При подборе устройства нужно учитывать все требования к манометрам, применяемым в газовом хозяйстве. Основным критерием считается измерительный диапазон, в процессе выбора необходимо помнить, что стандартное давление должно укладываться в промежуток от 1/3 до 2/3 по шкале измерения. Идеальным вариантом станет регулятор со шкалой до 0-10 атм. На втором месте по степени важности находится показатель класса точности, показывающий нормальную погрешность результатов замеров во время функционирования прибора.

При желании этот показатель можно рассчитать индивидуально, к примеру если устройство рассчитано на 10 атм, а его класс равен 1.5, показатель погрешности такого газомера составляет 1.5% от общей шкалы. По типу монтирования штуцера манометры бывают радиальными или торцевыми, помимо этого регуляторы дополняются резьбой метрического или трубного типа. Выбирая устройство, нужно учитывать его межповерочный интервал, будет лучше, если он составляет два года.

Приборы бытового назначения могут не проходить поверочную процедуру, но она обязательна для устройств, используемых на заводах, газопроводах, пунктах теплового либо топочного типа, а также аналогичных объектах.

Выбор устройства

Промышленность наших дней использует разные виды манометров. Чтобы произвести правильную покупку измерительного прибора, который будет по всем параметрам подходить для решения производственных процессов, нужно знать:

• Тип манометра.
• Рабочий диапазон измерения давления.
• Класс его точности.
• Среду его установки.
• Размеры корпуса.
• Функциональную нагрузку прибора.
• Куда будет установлен, а также размер резьбы штуцера.
• Эксплуатационные условия.

Если следовать вышеизложенному списку, тогда можно подобрать оптимальный прибор, так как все производители манометров придерживаются установленных стандартов. Поэтому устройства разных компаний по сути являются взаимозаменяемыми.

Типы манометров

Современное приборостроение предлагает несколько типов устройств, которые являются измерителями давления в разном диапазоне:

• Манометры, работающие от 0 до любых значений со знаком плюс.
• Мановакуумметры предназначены для измерения избыточных показателей от — до +.
• Вакуумметры работают с показателями ниже атмосферного в интервале от -1 до 0. То есть измеряют разреженные газы.
• Манометры, которые работают с предельно низкими значениями до +40 кПа.
• Видами вакуумметра являются тягомеры и тягонапоромеры.
• Напоромеры измеряют малое избыточное давление в низких показателях.

Чтобы осуществить правильный выбор прибора по допустимому интервалу давления следует знать рабочие значения давления технологического процесса, для чего и совершается покупка измерительного прибора. Не ошибитесь в операциях со знаками плюс и минус и прибавьте 30% к рабочему показателю.

специальный манометр

Функциональная нагрузка

Прибор по измерению давления выбирается в зависимости от потребностей производственного процесса, он должен соответствовать функциям и условиям эксплуатации. Манометры подразделяются на следующие виды функциональной нагрузки:

• Показывающие. Направление техническое. Предназначены чтобы измерять давление.
• Сигнализирующие. Нужны для управления внешней электрической цепью.
• Для точного измерения. Класс точности от 0,6/1,0 ед.
• Образцовые. Используются для проверки точности технических манометров.
• Самопишущие. В виде диаграммы на бумаге записывают измеряемое давление.

О назначении сообщает тип корпуса прибора, он может быть:

• Виброустойчивым.
• взрывозащищенным.
• Коррозионностойким.

Применяются манометры в системах котлов, судового и железнодорожного оборудования. Существует группа приборов, способная эксплуатироваться в пищевой отрасли производства. Материал корпуса измерительного прибора позволяет соответствовать условиям службы.

Монтаж манометра

Между трубой и манометром ставят трехходовый кран
Чтобы газомер мог измерить и регулировать давление корректно, его ставят на участках, где будет максимально просто снимать показатели, проводить обслуживание и ремонт прибора. Существуют предельные интервалы между регулятором и стенами, которые нужно соблюдать при монтаже. Если устройство ставят на высоте до 2-3 метров, диаметр его корпуса должен быть не меньше 160 мм.

В дополнение к монтажной конструкции манометра встраивают трехходовой кран, устанавливаемый между трубой и самим регулятором. Если агрегат эксплуатируется в условиях, из-за которых на его функционал может повлиять высокая температура, осадки или другие внешние факторы, его дополнительно защищают сифонами, буферными элементами либо другой защитой, а также тепловой изоляцией при необходимости.

Измеритель давления газа (в чем измеряется давление газа). Как измерить давление газа в газовом котле своими руками

Давайте по порядку разберемся, какими приборами мы сможем измерять давление газа.

Приборы для измерения давления

Нередко появляется острая необходимость в приборе для измерения давления жидкостей и газов. Рабочие рамки давления требуют непрерывного контроля в каждой трубопроводной системе или емкости, и для этого применяют устройства для измерения давления газа или измерительные установки. Хороший измеритель давления газа будет гарантом постоянной работы оборудования, независимо от используемой системы, где присутствует давление, будь это газовый трубопровод, отопительная схема или кругооборот замкнутого типа.

Факторы, которые стоит учитывать при выборе газового измерительного устройства:

• Какой принцип работы.
• Вид измеряемого давления.
• Разновидность класса точности.
• Применение и его назначение.

Манометры давления

Манометр – это измерительное устройство или установка для измерения дифференциального (например, dp05 датчик дифференциального давления жидкостей газов), абсолютного или избыточного давления. Наиболее распространенные предназначены для измерения только избыточного давления. «Ноль» в таком устройстве находится в соответствии с уровнем давления воздуха. Есть манометры, которые предназначены для универсального измерения, например, фд 09 — измеритель давления газа.

В чем измеряется давление газа

1 Ньютон на метр квадратный равен 1 Паскаль, а 1 атмосфера равна 101325 Паскаль. Такая единица, как «Бар» равна 105 Па.

По назначению выделяют следующие виды манометров для измерения давления газа:

• Общетехнические.
• Эталонные.
• Специальные.

Какими приборами измерить давление газа

На данный момент, передовые технологии позволяют использовать разные типы устройств, что показывают значение давления в определенных интервалах:

• Электронные манометры – приборы высокоточные. Такие устройства могут работать от 0, до предельных температурных значений. Одним из таких устройств является электронный манометр для измерения давления газа ht.
• Мановакуумметры используется при чрезмерных характеристиках от — до +.
• Вакуумметры (подразделяются на тягомеры и менее распространенные тягонапоромеры) предназначены для пониженного атмосферного давления в диапазоне от -1 до 0.
• Манометры, что предназначены для экстремально пониженных значений до +40 кПа.

Установка манометра

Устройство должно быть расположено на открытом месте не выше 3 метров от уровня площадки, чтобы службы контроля смогли распознать его показания. Манометр устанавливают на трубопроводе между запирающей арматурой и емкостью.

Корпус устройства в поперечнике по правилам должен быть больше или равняться 10 см.

Для того, чтобы отличить тип используемого манометра, они окрашены в разные тона.

• Голубой – используется в кислородных устройствах.
• Желтый – для аммиачных устройств.
• Красный – для воспламеняемых газов.
• Черный – для не горящих газов.
• Белый – используется для устройств с ацетиленом

Установка манометра может производиться несколькими способами:

• Прямым путем.
• На трехходовой кран.
• С помощью импульсивной трубки.

Прибор контроля давления газа buderus

Прибор контроля давления газа предназначен для отключения котла при падении давления газа в магистрали и является дополнительным оборудованием для котлов Buderus.

Предотвращает аварийное отключение котла и защищает от прогорания газовой горелки при низком давлении газа в магистрали, а именно завершает работу котла. После восстановления нормального давления газа, котел автоматически включается.

Технические характеристики датчика давления котла Будерус

• Тип: автоматика для котлов.
• Страна производитель: Германия.
• Гарантия: 1 год.
• Внешнее исполнение: прямоугольная форма.
• Внешнее исполнение: цвет черный.
• Технические характеристики: высота — 0,17 см, глубина — 0,12 см, ширина — 0,22 см.

Функции и оснащение: возможность программирования — нет, индикация давления.

Подводя итоги, предлагаю посмотреть несколько видео об измерительных газовых приборах.

Мне нравится1Не нравится

Уроки физики 10 — лабораторные работы

     Тетрадь для лабораторных работ  (жми здесь)       

 

Лабораторные работы

Лабораторные работы (4 работы на выбор по 1 ч.).

1. Исследование зависимости дальности полета от угла бросания.

2. Изучение движения тела по окружности под действием силы тяжести и упругости.

3. Определение ускорения свободного падения.

4. Экспериментальная проверка второго закона Ньютона.

5. Зависимость КПД наклонной плоскости от угла наклона.

6. Определение коэффициента трения  разными способами.

7. Определение момента инерции шара.

8. Сравнение работы силы упругости с изменением кинетической энергии тела.

9. Изучение закона сохранения импульса при упругом ударе шаров.

Лабораторные работы (4 работы на выбор по 1 ч.).

1. Исследование изопроцессов.

2. Определение удельной теплоемкости веществ.

3. Измерение давления газа разными способами.

5. Сравнение молярных теплоемкостей металлов.

6.Определение коэффициента поверхностного натяжения несколькими способами.

7. Определение относительной влажности воздуха с помощью гигрометра и психрометра.

8. Определение модуля упругости при деформации растяжения.

Практические работы 1. Решение расчетных и экспериментальных задач. 2. Компьютерное моделирование законов молекулярной физики.

Лабораторные работы (5 работ на выбор по 1 ч.)

1. Исследование смешанного соединения проводников.

2. Измерение электрического сопротивления с помощью омметра.

3. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

4. Изучение электромагнитной индукции,

5. Определение ЭДС с помощью двух вольтметров.

6 Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.

7. Исследование смешанного соединения проводников.

8. Измерение электрического сопротивления с помощью омметра.

9. Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

10.Изучение электромагнитной индукции,

11.Определение ЭДС с помощью двух вольтметров.

Практические работы 1. Решение расчетных, качественных и экспериментальных задач. 2. Виртуальные лабораторные работы по сборке электрических цепей.

Порядок оформления лабораторной работы и расчет погрешности опыта (скачать)

 

 

выбор устройства, измеряющего давление газа и других сред, виды и установка

Надежный манометр является гарантом безаварийной работы системы, независимо от того, водопровод — это, газопровод, система отопления или замкнутый цикл любого производства. Существуют разные виды таких приборов и в этой статье мы подробно остановимся на них.

Манометры давления

Существует давление трех основных типов:

1. Атмосферное. Это когда атмосфера воздействует на поверхность земли, а также на все находящееся на ней. Здоровый человек его не ощущает, так как оно обычно компенсируется внутренним давлением организма.
2. Вода в водопроводе может испытывать избыточное давление. Отсюда правило — оно возникает в замкнутом пространстве в различных средах.
3. Абсолютное возникает при взаимодействии первого и второго вида давления, то есть это сумма показателей атмосферного и избыточного.

Манометр — это прибор, который измеряет второй вид давления (избыточный) в различных системах.

Выбор устройства

Промышленность наших дней использует разные виды манометров. Чтобы произвести правильную покупку измерительного прибора, который будет по всем параметрам подходить для решения производственных процессов, нужно знать:

• Тип манометра.
• Рабочий диапазон измерения давления.
• Класс его точности.
• Среду его установки.
• Размеры корпуса.
• Функциональную нагрузку прибора.
• Куда будет установлен, а также размер резьбы штуцера.
• Эксплуатационные условия.

Если следовать вышеизложенному списку, тогда можно подобрать оптимальный прибор, так как все производители манометров придерживаются установленных стандартов. Поэтому устройства разных компаний по сути являются взаимозаменяемыми.

Типы манометров

Современное приборостроение предлагает несколько типов устройств, которые являются измерителями давления в разном диапазоне:

• Манометры, работающие от 0 до любых значений со знаком плюс.
• Мановакуумметры предназначены для измерения избыточных показателей от — до +.
• Вакуумметры работают с показателями ниже атмосферного в интервале от -1 до 0. То есть измеряют разреженные газы.
• Манометры, которые работают с предельно низкими значениями до +40 кПа.
• Видами вакуумметра являются тягомеры и тягонапоромеры.
• Напоромеры измеряют малое избыточное давление в низких показателях.

Чтобы осуществить правильный выбор прибора по допустимому интервалу давления следует знать рабочие значения давления технологического процесса, для чего и совершается покупка измерительного прибора. Не ошибитесь в операциях со знаками плюс и минус и прибавьте 30% к рабочему показателю.

Измерительный прибор выбирается с учетом условий и среды эксплуатации. Это будет специальный манометр для работы с воздухом, водой, паром, кислородом, аммиаком, ацетоном или газом. Среда может быть разной, в том числе и агрессивной, поэтому материалы приборов рассчитаны на такие условия эксплуатации. Показатели корпуса, в частности, прочность, диаметр, при выборе учитываются, если предстоит его работа в условиях вибрации или повышенной влажности, чтобы исключить повреждение корпуса от коррозии или механического воздействия.

Функциональная нагрузка

Прибор по измерению давления выбирается в зависимости от потребностей производственного процесса, он должен соответствовать функциям и условиям эксплуатации. Манометры подразделяются на следующие виды функциональной нагрузки:

• Показывающие. Направление техническое. Предназначены чтобы измерять давление.
• Сигнализирующие. Нужны для управления внешней электрической цепью.
• Для точного измерения. Класс точности от 0,6/1,0 ед.
• Образцовые. Используются для проверки точности технических манометров.
• Самопишущие. В виде диаграммы на бумаге записывают измеряемое давление.

О назначении сообщает тип корпуса прибора, он может быть:

• Виброустойчивым.
• взрывозащищенным.
• Коррозионностойким.

Применяются манометры в системах котлов, судового и железнодорожного оборудования. Существует группа приборов, способная эксплуатироваться в пищевой отрасли производства. Материал корпуса измерительного прибора позволяет соответствовать условиям службы.

Установка манометра

Перед монтажом нужно обязательно знать случаи, когда измерительные приборы не следует применять:

• Когда истек срок поверки манометра, отсутствует пломба или отметка о проведении поверки.
• Если прибор поврежден, к примеру, разбито стекло.
• Когда при отключении прибора стрелка не возвращается к нулевому показателю.
• Нельзя допускать монтаж на высоте более 3 метров от площадки.

Прибор устанавливается на видном месте, чтобы любой сотрудник мог увидеть его показания. Манометр монтируют на трубопроводе между запорной арматурой и сосудом.

Корпус должен иметь диаметр в значении не менее 10 сантиметров, не меньше 16 сантиметров на высоте 2–3 метра. Манометры, которые применяются для измерения давления газов, имеют разные цвета корпусов. Например, если корпус у прибора голубой, то это значит перед вами устройство для измерения давления кислорода, желтый свидетельствует о назначении работы с аммиаком, красный используется для горючих газов, черный — негорючих, белый предназначается для ацетилена.

Крайне важна перед манометром установка механизма, который будет отключать и продувать его, к примеру, это может быть трехходовый кран. Также необходим монтаж сифоновой трубки, ее диаметр должен составлять не меньше одного сантиметра. После того как прибор будет установлен, нужно нанести на шкалу манометра красную черту, она укажет рабочее давление.

Итак, точность, с которой прибор измеряет давление, зависит от его правильного выбора и установки, а также от условий эксплуатации. Когда производят выбор берут во внимание физико-химические свойства измеряемой среды и необходимую точность измерения. Мембранными рационально измерять вязкие жидкости, так как трубчатые затрудняют передачу давления из-за тонких трубок. Чтобы измерять газовые среды, содержащие агрессивные газы, например, сернистый газ, применяют защищенные приборы. Они оснащены специальным корпусом с характерной каждому газу окраской, также имеют маркировку на шкале устройства. Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Физики научились измерять давление через емкость

PTB

Ученым впервые удалось определить давление газа на основе измерения электрической емкости наполненного им конденсатора. Этот способ относится к первичным методам и позволит независимо проверять показания стандартных грузопоршневых манометров с высокой точностью, пишут авторы в журнале Nature Physics.

Физические величины можно измерить различными способами. Некоторые позволяют сразу получить оценку искомой величины — такие методы называются прямыми, но они существуют не для всех величин и, как правило, обладают значительными ограничениями. Поэтому обычно проводят косвенные измерения, при которых непосредственно определяется вспомогательная величина, которая затем позволяет вычислить искомую.

Процесс пересчета в рамках косвенного измерения также может проходить по-разному. В некоторых ситуациях измерительные приборы необходимо подвергать калибровке, то есть соотносить их показания с измерениями других инструментов. В таком случае точность измерения таким устройством не может быть лучше, чем у эталонного, с которым проходило сравнение.

Однако бывают случаи, когда можно обойтись и без калибровки — тогда говорят о первичном методе измерения. Его точность опирается на неопределенности в других используемых величинах и значениях физических констант. Использование нескольких высокоточных первичных методов разного рода для измерения одной величины позволяет добиться надежной оценки.

На данный момент стандартным методом измерения давления в области точной метрологии является механический — на основе грузопоршневых манометров. Он заключается в уравновешивании давления газа снизу от поршня тяжестью груза известной массы. Таким образом удается получать данные с относительной точностью на уровне одной миллионной вплоть до давления в семь мегапаскалей. Однако выше 0,1 мегапаскаля не существует другого первичного метода, который помогал бы сверять показания и искать источники систематических ошибок, что необходимо для расширения охватываемого диапазона.

Метод, предложенный физиками из Федерального физико-технического центра в Германии при участии Кристофа Гайзера (Christof Gaiser), как раз занимает эту нишу: им впервые удалось воплотить первичный метод измерения давления в газах на основе электрической емкости — впервые измерять давление таким способом предложили еще 20 лет назад.

Сам метод основан на предсказуемом изменении параметров конденсатора при его заполнении гелием, так как давление газа деформирует устройство, а сам он обладает диэлектрическими свойствами. Практическая реализация этой идеи была невозможна, так как не существовало достаточно стабильных конденсаторов, а параметры гелия, вычисляемые теоретически из первых принципов, не были известны с достаточной точностью. Также диэлектрическая проницаемость гелия весьма мала, что дополнительно осложняет ситуацию.

Эти проблемы были решены в рамках разработки новых эталонов величин системы СИ (в частности, кельвина) на протяжении последних лет. Это позволило провести сравнение показаний двух методов, которые показали одинаковые величины при давлениях до 7 мегапаскалей с точностью в 5 миллионных долей.

С точки зрения метрологии этот способ очень важен: это единственный первичный метод, который можно использовать для проверки показаний стандартного грузопоршневого манометра в диапазоне от 0,1 до 7 мегапаскалей с точностью на уровне нескольких миллионных долей. Авторы отмечают, что созданная ими установка слишком сложна для проведения массовых измерений. Ее можно было бы значительно упростить в случае использования газа с более высоким значением диэлектрической проницаемости. Подходящими значениями обладают неон и аргон, но теоретические значения их свойств пока недостаточно точно известны для проведения измерений с ошибками на уровне единиц миллионных долей.

В последние годы произошло масштабное переопределение единиц СИ: о начале процесса мы рассказывали в материале «Последний эталон», а завершился он 20 мая этого года. Отдельно мы писали о том, что килограмм стал нематериальным. О том как выглядят и как «живут» идеальные единицы измерения можно прочитать в тексте «Эталонный быт».

Тимур Кешелава

Что такое манометр, для чего используется

Манометр – это профессиональное устройство, которое создано для того, чтобы была возможность точного измерения давления газа и жидкости. Манометры бывают самых различных видов, в частности, они бывают низкого давления и высокого. Обычно это устройство помещено в небольшой корпус для того, чтобы было удобно им пользоваться. Наука пошла вперед, и уже сейчас имеются и сложные манометры, которые имеют в своем составе еще и температурную шкалу – термометры, вакуумметры – имеют вакуумные манометры. Которые предназначены для того, чтобы измерять давление тех газов, которые разряжены. Самое чем оснащено это устройство – это датчики давления, они и помогают измерить его.

Такие устройства необходимы в самых разных научных областях и технических. Их применяют при изучении процессов физики, которые наблюдаются в природе, или для измерения технологических процессов, которые созданы человеком. Стоит иметь в виду, что эти устройства отличаются по классу точности. Так, например, есть класс точности 0,2, 0,6, 1,0, 2,5, 4,0. При этом, чем цифра меньше, тем и точность устройства, следовательно, меньше.

Важно отметить, что манометр находит свое применение и в теплоэнергетике, а также же на химических организациях, и тех, которые связаны с нефтехимией. Интересно, что его применяют и в пищевой отрасли, ведь именно здесь очень важно знать давление и регулировать его состояние.

Конечно, такое распространенное и нужное устройство делится на разные виды. Итак, существуют манометры:

• технические;
• специальные;
• электроконтактные;
• общетехнические.

Устройства также делятся исходя из назначения. Бывают манометры:

• специальные;
• судовые;
• самопишущие;
• виброустойчивые;
• электроконтактные и другие.

Итак, рассмотри каждый по отдельности, чтобы детальнее разобраться какой манометр, где удобнее и лучше применять. Первый вид – общетехнические. Такие устройства могут измерять в разных сферах, даже избыточных и вакуумных. Такие устройства используют в частности для того, чтобы мерять давление в ходе процесса производства в промышленных оборудованиях непосредственно в их рабочих точках. Такие манометры устойчивы к вибрациям. Их применяют в газоснабжении, в механизмах и машинах, в теплоснабжении, в технологических системах.

Например, электроконтактные манометры могут регулировать измеряемую среду, и делают они это за счет наличия электроконтактного организма. Ими можно измерять давление жидкости, пара, газа и другое. Еще один вид – специальные манометры – для того, чтобы ими измеряли различные газы, такие как аммиак, кислород, водород, ацетилет. Важно знать, что для каждого газа – свой манометр, об этом свидетельствует специальный цвет на корпусе устройства.

Образцовые манометры созданы для испытаний, калибровки давления и для того, чтобы точно измерять избыток давления газа и жидкости. А вот судовые манометры эксплуатируют на речном и морском флоте.

По типам манометры тоже различаются на несколько видов. Так, например, жидкостные устройства применяют в лабораторных условиях. Давление здесь измеряется с помощью уравновешивания веса жидкости его столба, а мера давления здесь – измерения количества жидкости в сосудах сообщающихся. Также существуют поршневые манометры, деформационные, пружинные, трубчатые, мембранные и сильфонные. Все они отличаются способом применения. У нас Вы сможете найти различные манометры, которые помогут Вам измерять и контролировать давление воды и газа.

Преимущества работы с использованием манометров

На самом деле, преимущества в работе с манометрами очевидны. Во-первых, это универсальное устройство, которое помогает держать под контролем уровень давления. Во вторых, это точность измерения, а в том числе и аритмии.

Третье преимущество – дешевизна. Такое устройство может позволить себе каждый, потому что он имеет невысокую цену. И четвертое, очень важное преимущество в том, что это устройство надежное, при чем, надежность его не ухудшается даже при длительной эксплуатации. Еще одно важное свойство – это возможность эксплуатации в любых условиях.

Стоит отметить, что без такого приборы работа на предприятии, в котором необходимы измерения давления, значительно затрудняются. Ведь зачастую именно это небольшое устройство и держит под контролем весь производственный процесс. Это доп. оборудование – незаменимый помощник во многих отраслях.

Конечно, совсем непросто разобраться во всех видах этого устройства, которые существуют. Тем не менее, мы готовы помочь Вам в этом и подобрать Вам манометр, который подойдет именно для Ваших целей. Специалисты электротехнического интернет-магазина компании Энергопуск отлично разбираются в этом деле и помогут определиться с выбором, проконсультируют Вас по данному вопросу. Именно поэтому Вас стоит обратиться к нам, чтобы не ошибиться в своем выборе.

Остались вопросы?
Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:
8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

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 инструментов для измерения давления газа
• Рассчитать давление по данным манометра

Атмосфера Земли оказывает давление, как и любой другой газ. Хотя обычно мы не замечаем атмосферное давление, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под водой.Давление газа вызывается силой, действующей при столкновении молекул газа с поверхностями объектов (рис. 1). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади подвергается большому количеству столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если он не уравновешен равным давлением внутри контейнера.

Рис. 1. Атмосфера над нами оказывает сильное давление на объекты на поверхности земли, примерно равное весу шара для боулинга, давящего на область размером с ноготь человека.

В этом коротком видеоролике представлена ​​наглядная иллюстрация атмосферного давления, в котором показан взрыв железнодорожной цистерны при понижении внутреннего давления.

Кратко объясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Атмосферное давление создается за счет веса столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например цистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике, или обычного шара для боулинга, опирающегося на большой палец руки.Может показаться, что их огромное количество, и так оно и есть, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле поставите шар для боулинга на ноготь большого пальца руки, испытанное давление будет в удвоено обычного давления, и ощущение будет неприятным.

Как правило, давление определяется как сила, действующая на заданную область:. Обратите внимание, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади. Таким образом, давление может быть увеличено либо за счет увеличения силы, либо за счет уменьшения площади, по которой оно применяется; давление можно уменьшить, уменьшив силу или увеличив площадь.

Давайте применим эту концепцию, чтобы определить, кто с большей вероятностью упадет сквозь тонкий лед на рисунке 2 — слон или фигурист? Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре ноги, каждая из которых имеет диаметр около 1,5 футов (площадь отпечатка 250 в ² ), поэтому давление, оказываемое каждой ногой, составляет около 14 фунтов / дюйм ² :

Фигурист весит около 120 фунтов, опираясь на два лезвия конька, каждое с площадью около 2 дюймов ² , поэтому давление, оказываемое каждым лезвием, составляет около 30 фунтов / дюйм ² :

Даже несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее фигуриста, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет через 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:

Рис. 2. Хотя (а) вес слона большой, создавая очень большую силу на земле, (б) фигуристка оказывает гораздо большее давление на лед из-за небольшой площади поверхности ее коньков. (Фото А: модификация работы Гвидо да Роззе; кредит б: модификация работы Рёске Яги)

Единица измерения давления в системе СИ — паскаль (Па) , где 1 Па = 1 Н / м ² , где N — ньютон, единица силы, определяемая как 1 кг м / с ² .Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100000 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 прибора атмосфера (атм) , который первоначально представлял среднее атмосферное давление на уровне моря на приблизительной широте Парижа (45 °).В таблице 1 представлена ​​некоторая информация об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

Название устройства и сокращение	Определение или отношение к другой единице
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 ~ 14.7 фунтов на кв. Дюйм
атмосфера (атм)	1 атм = 101,325 Па Давление воздуха на уровне моря ~ 1 атм.
бар (бар, или бар)	1 бар = 100 000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мбар)	1000 мбар = 1 бар
дюймов рт. Ст. (Дюймы рт. Ст.)	1 дюйм рт. Ст. = 3386 Па используется в авиационной промышленности, а также в некоторых сводках погоды
торр	имени Евангелисты Торричелли, изобретателя барометра
миллиметры 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 давление как в дюймах ртутного столба, так и в миллибарах. Преобразуйте давление 29,2 дюйма рт. Ст. В:

(а) торр

(б) атм

(c) кПа

(d) мбар

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

(а)

(б)

(в)

(г)

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

Ответ:

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

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, действующую со стороны атмосферы на земную поверхность, с помощью барометра (рис. 3).Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца, заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в контейнер с этой жидкостью. Атмосфера оказывает давление на жидкость за пределами трубки, столб жидкости оказывает давление внутри трубки, а давление на поверхности жидкости одинаково внутри и снаружи трубки. Следовательно, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению, оказываемому атмосферой.

Рисунок 3. В барометре высота столба жидкости h используется как измерение давления воздуха. Использование очень плотной жидкой ртути (слева) позволяет создавать барометры разумного размера, тогда как использование воды (справа) потребует барометра более 30 футов в высоту.

Если жидкостью является вода, нормальное атмосферное давление будет поддерживать столб воды высотой более 10 метров, что довольно неудобно для изготовления (и считывания) барометра. Потому что ртуть (Hg) около 13.В 6 раз плотнее воды, ртутный барометр должен быть высотой только водяного барометра — более подходящего размера. Стандартное атмосферное давление в 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует столбу ртути высотой около 760 мм (29,92 дюйма). торр изначально задумывался как единица измерения, равная одному миллиметру ртутного столба, но больше не соответствует точно. Давление, оказываемое 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
Покажите расчет, подтверждающий утверждение о том, что атмосферное давление около уровня моря соответствует давлению, оказываемому столбом ртути высотой около 760 мм. Плотность ртути = 13,6 г / см ³ .

Раствор
Гидростатическое давление определяется как p = hρg , при h = 760 мм, ρ = 13,6 г / см ³ и g = 9.81 м / с ² . Включение этих значений в уравнение и выполнение необходимых преобразований единиц даст нам искомое значение. (Примечание: мы ожидаем найти давление ~ 101,325 Па 🙂

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

Манометр — устройство, подобное барометру, которое может использоваться для измерения давления газа, находящегося в контейнере.Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, одним плечом, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними. Как и в случае с барометром, расстояние между уровнями жидкости в двух рукавах трубки ( х на диаграмме) пропорционально давлению газа в баллоне. Манометр с открытым концом (рис. 4) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно из его рукавов открыто для атмосферы. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в емкости и атмосферой.

Рисунок 4. Манометр можно использовать для измерения давления газа. (Разница в высоте) между уровнями жидкости ( х ) является мерой давления. Обычно используется ртуть 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. Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Раствор
Давление газа равно столбу ртути высотой 26.4 см. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 26,4 см ртутного столба.) Мы могли бы использовать уравнение p = hρg , как в Примере 2, но проще преобразовать единицы измерения с помощью таблицы 1.

(а)

(б)

(в)

Проверьте свои знания
Давление пробы газа измеряется манометром с закрытым концом.Жидкость в манометре — ртуть. Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Ответ:

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

Пример 4

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

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Раствор
Давление газа равно гидростатическому давлению столба ртути высотой 13.7 см плюс давление атмосферы на уровне моря. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 13,7 см ртутного столба плюс атмосферное давление.)

(a) В мм рт. Ст. Это: 137 мм рт. Ст. + 760 мм рт. Ст. = 897 мм рт. Ст.

(б)

(в)

Проверьте свои знания
Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом, как показано справа.Определите давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Ответ:

(а) 642 мм рт. (б) 0,845 атм; (c) 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, когда кровоток начинается и когда он становится затрудненным (Рисунок 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, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать после небольшого обучения, но у них есть ограничения. При использовании сфигмоманометра манжета надевается на плечо и накачивается до тех пор, пока кровоток полностью не блокируется, а затем медленно отпускается.Когда сердце бьется, кровь, проходящая через артерии, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, составляет систолического давления — пикового давления в сердечном цикле. Когда давление в манжете сравняется с артериальным систолическим давлением, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа. За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к новому удару. Поскольку давление в манжете продолжает снижаться, звук в конечном итоге перестает быть слышным; это диастолическое давление — наименьшее давление (фаза покоя) в сердечном цикле.Единицы измерения артериального давления тонометра выражаются в миллиметрах ртутного столба (мм рт. Ст.).

Рис. 5. (a) Медицинский техник готовится измерить артериальное давление пациента с помощью сфигмоманометра. (b) Типичный сфигмоманометр использует резиновую грушу с клапаном для надувания манжеты и диафрагменный манометр для измерения давления. (кредит а: модификация работы магистра-сержанта Джеффри Аллена)

Метеорология, климатология и атмосферные науки

На протяжении веков люди наблюдали облака, ветры и осадки, пытаясь определить закономерности и сделать прогнозы: 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 атмосферная наука. Метеорология — это изучение атмосферы, атмосферных явлений и атмосферных воздействий на погоду Земли. 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 собираются, 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 сильно влияют на погодные условия. Серые линии представляют собой 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 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, имеющая толщину примерно 100–125 км, состоит примерно на 78,1% азота и 21,0% кислорода и может быть подразделена на области, показанные на рисунке 7: экзосфера (наиболее 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 в тропосфере, плотность и температура воздуха снижаются.

Рис. 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, которые происходят на протяжении десятилетий, столетий и тысячелетий, а не более короткие временные рамки в часы, дни и недели, как метеорологи.Наука об атмосфере — это еще более широкая область, объединяющая метеорологию, климатологию и другие научные дисциплины, изучающие атмосферу.

Газы оказывают давление, то есть силу 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 можно измерить с помощью одного из нескольких типов манометров.

Химия: упражнения в конце главы

1. Почему острые ножи более эффективны, чем тупые (подсказка: подумайте об определении давления)?
2. Почему у некоторых небольших мостов есть ограничения по весу, которые зависят от количества колес или осей у проезжающего транспортного средства?
3. Почему лучше кататься или ползать на животе, чем ходить по замерзшему пруду?
4. Типичное атмосферное давление в Реддинге, Калифорния, составляет около 750 мм рт.Вычислите это давление в атм и кПа.
5. Типичное атмосферное давление в Денвере, штат Колорадо, составляет 615 мм рт. Что это за давление в атмосферах и килопаскалях?
6. Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Что это за давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба и килопаскалях?
7. Канадские манометры имеют маркировку в килопаскалях. Какое значение на таком манометре соответствует 32 фунтам на квадратный дюйм?
8. Во время высадки викингов на Марс было определено, что атмосферное давление в среднем составляет около 6.50 миллибар (1 бар = 0,987 атм). Что это за давление в торр и кПа?
9. Давление атмосферы на поверхности планеты Венера составляет около 88,8 атм. Сравните это давление в фунтах на квадратный дюйм с нормальным давлением на Земле на уровне моря в фунтах на квадратный дюйм.
10. Каталог медицинских лабораторий описывает давление в баллоне газа как 14,82 МПа. Какое давление у этого газа в атмосферах и торр?
11. Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: В середине августа на северо-востоке США в местной газете появилась следующая информация: атмосферное давление на уровне моря 29.97 дюймов, 1013,9 мбар.

    (а) Какое было давление в кПа?

    (b) Давление у побережья на северо-востоке США обычно составляет около 30,0 дюймов рт. Ст. Во время урагана давление может упасть примерно до 28,0 дюймов рт. Ст. Рассчитайте падение давления в торр.

12. Почему необходимо использовать нелетучую жидкость в барометре или манометре?
13. Давление пробы газа измеряется на уровне моря манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре — ртуть.Определите давление газа в:

    (а) торр

    (б) Па

    (в) бар

14. Давление пробы газа измеряется манометром с открытым концом, частично показанным справа. Жидкость в манометре — ртуть. Предполагая, что атмосферное давление составляет 29,92 дюйма рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) торр

    (б) Па

    (в) бар

15. Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом.Предполагая, что атмосферное давление составляет 760,0 мм рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) мм рт. Ст.

    (б) атм

    (c) кПа

16. Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом. Предполагая, что атмосферное давление составляет 760 мм рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) мм рт. Ст.

    (б) атм

    (c) кПа

17. Как использование летучей жидкости повлияет на измерение газа с помощью манометров открытого типа по сравнению сзакрытые манометры?

Глоссарий

атмосфера (атм)

единица давления; 1 атм = 101,325 Па

бар

(бар или б) единица давления; 1 бар = 100000 Па

барометр

прибор для измерения атмосферного давления

гидростатическое давление

Давление жидкости под действием силы тяжести

манометр

Устройство для измерения давления газа, находящегося в контейнере

паскаль (Па)

единица давления СИ; 1 Па = 1 Н / м ²

фунтов на квадратный дюйм (psi)

единица давления общепринятая в США

давление

сила на единицу площади

торр

единица давления;

Решения

Ответы на упражнения в конце главы по химии

1.Режущая кромка заточенного ножа имеет меньшую площадь поверхности, чем затупившийся нож. Поскольку давление — это сила на единицу площади, острый нож будет оказывать более высокое давление с той же силой и более эффективно прорезать материал.

3. Лежа распределяет ваш вес на большую площадь поверхности, оказывая меньшее давление на лед по сравнению со стоянием. Если вы будете меньше нажимать, у вас меньше шансов пробить тонкий лед.

5. 0,809 атм; 82,0 кПа

7.2.2 × 10 ² кПа

9. Земля: 14,7 фунта на дюйм ^–2 ; Венера: 13,1 × 10 ³ фунтов на дюйм ⁻²

11. (а) 101,5 кПа; (б) падение 51 торр

13. (а) 264 торр; (b) 35 200 Па; (c) 0,352 бар

15. (a) 623 мм рт. (б) 0,820 атм; (c) 83,1 кПа

17. При использовании манометра с закрытым концом никаких изменений не наблюдалось бы, поскольку испаренная жидкость будет вносить равные противодействующие давления в обоих рукавах трубки манометра. Однако при использовании манометра с открытым концом показания давления газа будут выше, чем ожидалось, поскольку P _газ = P _атм + P _{объем жидкости} .

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 инструментов для измерения давления газа
• Рассчитать давление по данным манометра

Атмосфера Земли оказывает давление, как и любой другой газ. Хотя обычно мы не замечаем атмосферное давление, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под водой.Давление газа вызывается силой, действующей при столкновении молекул газа с поверхностями объектов (рис. 1). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади подвергается большому количеству столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если он не уравновешен равным давлением внутри контейнера.

Рис. 1. Атмосфера над нами оказывает сильное давление на объекты на поверхности земли, примерно равное весу шара для боулинга, давящего на область размером с ноготь человека.

В этом коротком видеоролике представлена ​​наглядная иллюстрация атмосферного давления, в котором показан взрыв железнодорожной цистерны при понижении внутреннего давления.

Кратко объясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Атмосферное давление создается за счет веса столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например цистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике, или обычного шара для боулинга, опирающегося на большой палец руки.Может показаться, что их огромное количество, и так оно и есть, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле поставите шар для боулинга на ноготь большого пальца руки, испытанное давление будет в удвоено обычного давления, и ощущение будет неприятным.

Обычно давление определяется как сила, действующая на заданную область: [латекс] P = \ frac {F} {A} [/ latex]. Обратите внимание, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади. Таким образом, давление может быть увеличено либо за счет увеличения силы, либо за счет уменьшения площади, по которой оно применяется; давление можно уменьшить, уменьшив силу или увеличив площадь.

Давайте применим эту концепцию, чтобы определить, кто с большей вероятностью упадет сквозь тонкий лед на рисунке 2 — слон или фигурист? Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре ноги, каждая из которых имеет диаметр около 1,5 футов (площадь отпечатка 250 в ² ), поэтому давление, оказываемое каждой ногой, составляет около 14 фунтов / дюйм ² :

[латекс] \ text {давление на ногу слона} = 14 000 \ frac {\ text {lb}} {\ text {elephant}} \ times \ frac {1 \; \ text {elephant}} {4 \; \ text {футов}} \ times \ frac {1 \; \ text {foot}} {250 \; \ text {in} ^ 2} = 14 \; \ text {lb / in} ^ 2 [/ latex]

Фигурист весит около 120 фунтов, опираясь на два лезвия конька, каждое с площадью около 2 дюймов ² , поэтому давление, оказываемое каждым лезвием, составляет около 30 фунтов / дюйм ² :

[латекс] \ text {давление на лезвие конька} = 120 \ frac {\ text {lb}} {\ text {skater}} \ times \ frac {1 \; \ text {skater}} {2 \; \ text {лезвия}} \ times \ frac {1 \; \ text {лезвие}} {2 \; \ text {in} ^ 2} = 30 \; \ text {фунт / дюйм} ^ 2 [/ латекс]

Даже несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее фигуриста, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет через тонкий лед.2 [/ латекс]

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

Единица давления в системе СИ — паскаль (Па) , при этом 1 Па = 1 Н / м ² , где Н — ньютон, единица силы, определяемая как 1 кг м / с ² .Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100000 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 прибора атмосфера (атм) , который первоначально представлял среднее атмосферное давление на уровне моря на приблизительной широте Парижа (45 °).В таблице 1 представлена ​​некоторая информация об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

Название устройства и сокращение	Определение или отношение к другой единице
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 ~ 14.7 фунтов на кв. Дюйм
атмосфера (атм)	1 атм = 101,325 Па Давление воздуха на уровне моря ~ 1 атм
бар (бар, или бар)	1 бар = 100 000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мбар)	1000 мбар = 1 бар
дюймов рт. Ст. (Дюймы рт. Ст.)	1 дюйм рт. Ст. = 3386 Па используется в авиационной промышленности, а также в некоторых сводках погоды
торр	[латекс] 1 \; \ text {torr} = \ frac {1} {760} \; \ text {atm} [/ latex] имени изобретателя барометра Евангелисты Торричелли
миллиметры 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 давление как в дюймах ртутного столба, так и в миллибарах. Преобразуйте давление 29,2 дюйма рт. Ст. В:

(а) торр

(б) атм

(c) кПа

(d) мбар

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

(a) [латекс] 29.2 \; \ rule [0.5ex] {2.2em} {0.1ex} \ hspace {-2.2em} \ text {in Hg} \ times \ frac {25.4 \; \ rule [0.25ex ] {1.2em} {0.1ex} \ hspace {-1.2em} \ text {mm}} {1 \; \ rule [0.25ex] {0.6em} {0.1ex} \ hspace {-0.6em} \ text { in}} \ times \ frac {1 \; \ text {torr}} {1 \; \ rule [0.25ex] {2em} {0.1ex} \ hspace {-2em} \ text {mm Hg}} = 742 \ ; \ text {torr} [/ latex]

(b) [латекс] 742 \; \ rule [0.5ex] {1.8em} {0.1ex} \ hspace {-1.8em} \ text {torr} \ times \ frac {1 \; \ text {atm}} {760 \; \ rule [0.25ex] {1.2em} {0.1ex} \ hspace {-1.2em} \ text {torr}} = 0.976 \; \ text {atm} [/ latex]

(c) [латекс] 742 \; \ rule [0.5ex] {1.8em} {0.1ex} \ hspace {-1.8em} \ text {torr} \ times \ frac {101.325 \; \ text {kPa}} {760 \; \ rule [0.25ex] {1.0em} {0.1ex} \ hspace {-1.0em} \ text {torr}} = 98.9 \; \ text {kPa} [/ latex]

(d) [латекс] 98.9 \; \ rule [0.5ex] {1.9em} {0.1ex} \ hspace {-1.9em} \ text {kPa} \ times \ frac {1000 \; \ rule [0.25ex] {0.9em} {0.1ex} \ hspace {-0.9em} \ text {Pa}} {1 \; \ rule [0.25ex] {1.1em} {0.1ex} \ hspace {-1.1em} \ text {кПа }} \ times \ frac {1 \; \ rule [0.25ex] {0.9em} {0.1ex} \ hspace {-0.9em} \ text {bar}} {100 000 \; \ rule [0.25ex] {1.0em} {0.1ex} \ hspace {-1.0em} \ text {Pa}} \ times \ frac {1000 \; \ text { mbar}} {1 \; \ rule [0.25ex] {1.0em} {0.1ex} \ hspace {-1.0em} \ text {bar}} = 989 \; \ text {mbar} [/ latex]

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

Ответ:

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

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, действующую со стороны атмосферы на земную поверхность, с помощью барометра (рис. 3).Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца, заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в контейнер с этой жидкостью. Атмосфера оказывает давление на жидкость за пределами трубки, столб жидкости оказывает давление внутри трубки, а давление на поверхности жидкости одинаково внутри и снаружи трубки. Следовательно, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению, оказываемому атмосферой.

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

Если жидкостью является вода, 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 раз плотнее воды, ртутный барометр должен быть [латекс] \ frac {1} {13.6} [/ латекс] высотой с водяной барометр — более подходящий размер.Стандартное атмосферное давление в 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует столбу ртути высотой около 760 мм (29,92 дюйма). торр изначально задумывался как единица измерения, равная одному миллиметру ртутного столба, но больше не соответствует точно. Давление, оказываемое жидкостью под действием силы тяжести, известно как гидростатическое давление , p :

.

[латекс] p = h \ rho g [/ латекс]

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

Пример 2

Расчет барометрического давления
Покажите расчет, подтверждающий утверждение о том, что атмосферное давление около уровня моря соответствует давлению, оказываемому столбом ртути высотой около 760 мм. Плотность ртути = 13,6 г / см ³ .

Раствор
Гидростатическое давление определяется как p = hρg , при h = 760 мм, ρ = 13,6 г / см ³ и g = 9.5 \; \ text {Pa} \ end {array} [/ latex]

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

Манометр — устройство, подобное барометру, которое может использоваться для измерения давления газа, находящегося в контейнере. Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, одним плечом, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними.Как и в случае с барометром, расстояние между уровнями жидкости в двух рукавах трубки ( х на диаграмме) пропорционально давлению газа в баллоне. Манометр с открытым концом (рис. 4) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно из его рукавов открыто для атмосферы. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в емкости и атмосферой.

Рисунок 4. Манометр можно использовать для измерения давления газа.(Разница в высоте) между уровнями жидкости ( х ) является мерой давления. Обычно используется ртуть 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. Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Раствор
Давление газа равно столбу ртути высотой 26.4 см. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 26,4 см ртутного столба.) Мы могли бы использовать уравнение p = hρg , как в Примере 2, но проще преобразовать единицы измерения с помощью таблицы 1.

(a) [латекс] 26.4 \; \ rule [0.5ex] {2.8em} {0.1ex} \ hspace {-2.8em} \ text {cm Hg} \ times \ frac {10 \; \ rule [0.25ex ] {2.5em} {0.1ex} \ hspace {-2.5em} \ text {мм рт. Ст.}} {1 \; \ rule [0.25ex] {2.5em} {0.1ex} \ hspace {-2.5em} \ text {мм рт. Ст.}} \ Times \ frac {1 \; \ text {torr}} {1 \; \ rule [0.25ex] {2.5 em} {0.1ex} \ hspace {-2.5em} \ text {мм рт. ст.}} = 264 \; \ text {torr} [/ latex]

(b) [латекс] 264 \; \ rule [0.5ex] {1.7em} {0.1ex} \ hspace {-1.7em} \ text {torr} \ times \ frac {1 \; \ rule [0.25ex] {1.3em} {0.1ex} \ hspace {-1.3em} \ text {atm}} {760 \; \ rule [0.25ex] {1.3em} {0.1ex} \ hspace {-1.3em} \ text {torr }} \ times \ frac {101,325 \; \ text {Pa}} {1 \; \ rule [0.25ex] {1.3em} {0.1ex} \ hspace {-1,3em} \ text {atm}} = 35 200 \; \ text {Па} [/ латекс]

(c) [латекс] 35,200 \; \ rule [0.5ex] {1.2em} {0.1ex} \ hspace {-1.2em} \ text {Pa} \ times \ frac {1 \; \ text {bar}} {100,000 \; \ rule [0.25ex] {1em} { 0,1ex} \ hspace {-1em} \ text {Pa}} = 0,352 \; \ text {bar} [/ latex]

Проверьте свои знания
Давление пробы газа измеряется манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре — ртуть. Определите 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 с помощью ртутного манометра с открытым концом, как показано справа. Определите давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Раствор
Давление газа равно гидростатическому давлению столба ртути высотой 13.7 см плюс давление атмосферы на уровне моря. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 13,7 см ртутного столба плюс атмосферное давление.)

(a) В мм рт. Ст. Это: 137 мм рт. Ст. + 760 мм рт. Ст. = 897 мм рт. Ст.

(b) [латекс] 897 \; \ rule [0.5ex] {3em} {0.1ex} \ hspace {-3em} \ text {мм рт. Ст.} \ Times \ frac {1 \; \ text {atm}} { 760 \; \ rule [0.25ex] {2.5em} {0.1ex} \ hspace {-2.5em} \ text {мм рт. Ст.}} = 1.2 \; \ text {кПа} [/ латекс]

Проверьте свои знания
Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом, как показано справа. Определите давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Ответ:

(а) 642 мм рт. (б) 0,845 атм; (c) 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, когда кровоток начинается и когда он становится затрудненным (Рисунок 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, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать после небольшого обучения, но у них есть ограничения.При использовании сфигмоманометра манжета надевается на плечо и накачивается до тех пор, пока кровоток полностью не блокируется, а затем медленно отпускается. Когда сердце бьется, кровь, проходящая через артерии, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, составляет систолического давления — пикового давления в сердечном цикле. Когда давление в манжете сравняется с артериальным систолическим давлением, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа.За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к новому удару. Поскольку давление в манжете продолжает снижаться, звук в конечном итоге перестает быть слышным; это диастолическое давление — наименьшее давление (фаза покоя) в сердечном цикле. Единицы измерения артериального давления тонометра выражаются в миллиметрах ртутного столба (мм рт. Ст.).

Рис. 5. (a) Медицинский техник готовится измерить артериальное давление пациента с помощью сфигмоманометра. (b) Типичный сфигмоманометр использует резиновую грушу с клапаном для надувания манжеты и диафрагменный манометр для измерения давления.(кредит а: модификация работы магистра-сержанта Джеффри Аллена)

Метеорология, климатология и атмосферные науки

На протяжении веков люди наблюдали облака, ветры и осадки, пытаясь определить закономерности и сделать прогнозы: 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 атмосферная наука. Метеорология — это изучение атмосферы, атмосферных явлений и атмосферных воздействий на погоду Земли. 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 собираются, 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 сильно влияют на погодные условия. Серые линии представляют собой 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 земной поверхности ниже, чем в окружающей среде: влажный воздух поднимается 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, имеющая толщину примерно 100–125 км, состоит примерно на 78,1% азота и 21,0% кислорода и может быть подразделена на области, показанные на рисунке 7: экзосфера (наиболее 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 в тропосфере, плотность и температура воздуха снижаются.

Рис. 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, которые происходят на протяжении десятилетий, столетий и тысячелетий, а не более короткие временные рамки в часы, дни и недели, как метеорологи.Наука об атмосфере — это еще более широкая область, объединяющая метеорологию, климатологию и другие научные дисциплины, изучающие атмосферу.

Газы оказывают давление, то есть силу 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 можно измерить с помощью одного из нескольких типов манометров.

• [латекс] P = \ frac {F} {A} [/ латекс]
• [латекс] p = h \ rho g [/ латекс]

Химия: упражнения в конце главы

1. Почему острые ножи более эффективны, чем тупые (подсказка: подумайте об определении давления)?
2. Почему у некоторых небольших мостов есть ограничения по весу, которые зависят от количества колес или осей у проезжающего транспортного средства?
3. Почему лучше кататься или ползать на животе, чем ходить по замерзшему пруду?
4. Типичное атмосферное давление в Реддинге, Калифорния, составляет около 750 мм рт.Вычислите это давление в атм и кПа.
5. Типичное атмосферное давление в Денвере, штат Колорадо, составляет 615 мм рт. Что это за давление в атмосферах и килопаскалях?
6. Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Что это за давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба и килопаскалях?
7. Канадские манометры имеют маркировку в килопаскалях. Какое значение на таком манометре соответствует 32 фунтам на квадратный дюйм?
8. Во время высадки викингов на Марс было определено, что атмосферное давление в среднем составляет около 6.50 миллибар (1 бар = 0,987 атм). Что это за давление в торр и кПа?
9. Давление атмосферы на поверхности планеты Венера составляет около 88,8 атм. Сравните это давление в фунтах на квадратный дюйм с нормальным давлением на Земле на уровне моря в фунтах на квадратный дюйм.
10. Каталог медицинских лабораторий описывает давление в баллоне газа как 14,82 МПа. Какое давление у этого газа в атмосферах и торр?
11. Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: В середине августа на северо-востоке США в местной газете появилась следующая информация: атмосферное давление на уровне моря 29.97 дюймов, 1013,9 мбар.

    (а) Какое было давление в кПа?

    (b) Давление у побережья на северо-востоке США обычно составляет около 30,0 дюймов рт. Ст. Во время урагана давление может упасть примерно до 28,0 дюймов рт. Ст. Рассчитайте падение давления в торр.

12. Почему необходимо использовать нелетучую жидкость в барометре или манометре?
13. Давление пробы газа измеряется на уровне моря манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре — ртуть.Определите давление газа в:

    (а) торр

    (б) Па

    (в) бар

14. Давление пробы газа измеряется манометром с открытым концом, частично показанным справа. Жидкость в манометре — ртуть. Предполагая, что атмосферное давление составляет 29,92 дюйма рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) торр

    (б) Па

    (в) бар

15. Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом.Предполагая, что атмосферное давление составляет 760,0 мм рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) мм рт. Ст.

    (б) атм

    (c) кПа

16. Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом. Предполагая, что атмосферное давление составляет 760 мм рт. Ст., Определите давление газа в:

    (а) мм рт. Ст.

    (б) атм

    (c) кПа

17. Как использование летучей жидкости повлияет на измерение газа с помощью манометров открытого типа по сравнению сзакрытые манометры?

Глоссарий

атмосфера (атм)

единица давления; 1 атм = 101,325 Па

бар

(бар или б) единица давления; 1 бар = 100000 Па

барометр

прибор для измерения атмосферного давления

гидростатическое давление

Давление жидкости под действием силы тяжести

манометр

Устройство для измерения давления газа, находящегося в контейнере

паскаль (Па)

единица давления СИ; 1 Па = 1 Н / м ²

фунтов на квадратный дюйм (psi)

единица давления общепринятая в США

давление

сила на единицу площади

торр

единица давления; [латекс] 1 \; \ text {torr} = \ frac {1} {760} \; \ text {atm} [/ latex]

Решения

Ответы на упражнения в конце главы по химии

1.Режущая кромка заточенного ножа имеет меньшую площадь поверхности, чем затупившийся нож. Поскольку давление — это сила на единицу площади, острый нож будет оказывать более высокое давление с той же силой и более эффективно прорезать материал.

3. Лежа распределяет ваш вес на большую площадь поверхности, оказывая меньшее давление на лед по сравнению со стоянием. Если вы будете меньше нажимать, у вас меньше шансов пробить тонкий лед.

5. 0,809 атм; 82,0 кПа

7.2.2 × 10 ² кПа

9. Земля: 14,7 фунта на дюйм ^–2 ; Венера: 13,1 × 10 ³ фунтов на дюйм ⁻²

11. (а) 101,5 кПа; (б) падение 51 торр

13. (а) 264 торр; (b) 35 200 Па; (c) 0,352 бар

15. (a) 623 мм рт. (б) 0,820 атм; (c) 83,1 кПа

17. При использовании манометра с закрытым концом никаких изменений не наблюдалось бы, поскольку испаренная жидкость будет вносить равные противодействующие давления в обоих рукавах трубки манометра. Однако при использовании манометра с открытым концом показания давления газа будут выше, чем ожидалось, поскольку P _газ = P _атм + P _{объем жидкости} .

5.2: Давление газа и его измерение

Цели обучения

• для описания и измерения давления газа.

На макроскопическом уровне полное физическое описание образца газа требует четырех величин:

• температура (выражена в кельвинах),
• объем (в литрах),
• сумма (выражена в молях) и
• давление (в атмосферах).

Как показано ниже, эти переменные не независимы (т. Е. Их нельзя произвольно изменять). Если нам известны значения любых , трех, из этих величин, мы можем вычислить четвертое и таким образом получить полное физическое описание газа. Температура, объем и количество обсуждались в предыдущих главах. Теперь обсудим давление и его единицы измерения.

Единицы давления

Любой объект, будь то ваш компьютер, человек или образец газа, воздействует на любую поверхность, с которой он соприкасается.Например, воздух в воздушном шаре оказывает усилие на внутреннюю поверхность воздушного шара, а жидкость, впрыскиваемая в форму, оказывает силу на внутреннюю поверхность формы, точно так же, как стул прикладывает силу к полу из-за его масса и влияние силы тяжести. Если воздух в воздушном шаре нагревается, увеличенная кинетическая энергия газа в конечном итоге приводит к взрыву воздушного шара из-за повышенного давления (\ (P \)) газа, силы (\ (F \)) на единицу площади (\ (A \)) поверхности:

\ [P = \ dfrac {\ rm Force} {\ rm Area} = \ dfrac {F} {A} \ label {10.2.1} \]

Давление зависит от и — приложенной силы, и — размера области, к которой приложена сила. Из уравнения \ (\ ref {10.2.1} \) мы знаем, что приложение той же силы к меньшей площади создает более высокое давление. Например, когда мы используем шланг для мытья автомобиля, мы можем увеличить давление воды, уменьшив размер отверстия шланга большим пальцем.

Единицы давления производятся от единиц измерения силы и площади.2 \ label {10.2.2} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Предполагая, что книга в мягкой обложке имеет массу 2,00 кг, длину 27,0 см, ширину 21,0 см и толщину 4,5 см, какое давление она оказывает на поверхность, если оно составляет

1. лежа?
2. стоит на краю в книжном шкафу?

Дано: Масса и габариты объекта

Запрошено: давление

Стратегия:

1. Вычислите силу, прилагаемую к книге, а затем вычислите площадь, которая соприкасается с поверхностью.
2. Подставьте эти два значения в уравнение \ (\ ref {10.2.1} \), чтобы найти давление, оказываемое на поверхность в каждой ориентации.

Решение:

Сила, прикладываемая книгой, и не зависит от ее ориентации. Напомним, что сила, прилагаемая объектом, равна F = мa , где м, — его масса, а a — его ускорение. В гравитационном поле Земли ускорение происходит за счет силы тяжести (9.3 \; \ rm Па \ nonumber \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Какое давление оказывает на пол ученик весом 60,0 кг

1. при стоянии в лаборатории на плоской подошве в паре теннисных туфель (площадь подошвы примерно 180 см. ² )?
2. , когда она ступает пяткой вперед на танцпол в туфлях на высоком каблуке (площадь каблука = 1,0 см. ² )?

Ответьте на

3.27 × 10 ⁴ Па

Ответ б

5,9 × 10 ⁶ Па

Барометрическое давление

Наша атмосфера действует так же, как мы оказываем давление на поверхность под действием силы тяжести. Мы живем на дне океана газов, который становится все менее плотным с увеличением высоты. Примерно 99% массы атмосферы находится в пределах 30 км от поверхности Земли (рис. \ (\ PageIndex {1} \)).Каждая точка на поверхности Земли испытывает чистое давление, называемое барометрическим давлением . Давление, оказываемое атмосферой, является значительным: столбик длиной 1 м ² , измеренный от уровня моря до верхних слоев атмосферы, имеет массу около 10 000 кг, что дает давление около 101 кПа:

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): атмосферное давление. Каждый квадратный метр поверхности Земли поддерживает столб воздуха высотой более 200 км и весом около 10 000 кг на поверхности Земли.

Барометрическое давление можно измерить с помощью барометра — устройства, изобретенного в 1643 году одним из учеников Галилея, Евангелистой Торричелли (1608–1647). Барометр может быть изготовлен из длинной стеклянной трубки, закрытой с одного конца. Он наполнен ртутью и помещен вверх дном в емкость с ртутью, не допуская попадания воздуха в трубку. Часть ртути вытечет из трубки, но внутри остается относительно высокий столбик (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Почему не заканчивается ртуть? Гравитация, безусловно, оказывает на ртуть в трубке нисходящую силу, но ей противодействует давление атмосферы, которое оказывает давление на поверхность ртути в чаше, что в итоге приводит к выталкиванию ртути вверх в трубку.Поскольку в правильно заполненном барометре (в нем есть вакуум) над ртутью внутри трубки нет воздуха, давление на колонку отсутствует. Таким образом, ртуть выходит из трубки до тех пор, пока давление самого ртутного столба точно не уравновесит давление атмосферы. Давление, оказываемое ртутным столбом, можно выразить как:

\ [\ begin {align} P & = \ dfrac {F} {A} \\ [4pt] & = \ dfrac {mg} {A} \\ [4pt] & = \ dfrac {\ rho V \ cdot g} {A} \\ [4pt] & = \ dfrac {\ rho \ cdot Ah \ cdot g} {A} \\ [4pt] & = \ rho gh \ end {align} \]

с

• \ (g \) — ускорение свободного падения,
• \ (м \) — масса,
• \ (\ rho \) — плотность,
• \ (V \) — объем,
• \ (A \) — нижняя область, а
• \ (h \) — высота столба ртути.

В нормальных погодных условиях на уровне моря две силы уравновешиваются, когда верхняя часть ртутного столба находится примерно на 760 мм выше уровня ртути в чаше, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Это значение зависит от метеорологических условий и высоты. В Денвере, штат Колорадо, например, на высоте около 1 мили или 1609 м (5280 футов) высота ртутного столба составляет 630 мм, а не 760 мм.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): ртутный барометр.Давление, оказываемое атмосферой на поверхность ртутного бассейна, поддерживает столб ртути в трубке высотой около 760 мм. Поскольку точка кипения ртути довольно высока (356,73 ° C), в пространстве над ртутным столбом очень мало паров ртути.

Ртутные барометры использовались для измерения атмосферного давления так долго, что у них есть собственная единица измерения давления: миллиметр ртутного столба (мм рт. Ст.), Часто называемый торром, в честь Торричелли. Стандартное барометрическое давление — это барометрическое давление, необходимое для поддержания столба ртути высотой ровно 760 мм; это давление также называют 1 атмосферой (атм).5 \; Па \\ [4pt] & = 101,325 \; кПа \ label {10.2.3} \ end {align} \]

Таким образом, давление в 1 атм в точности равно 760 мм рт. Ст.

Мы настолько привыкли жить под таким давлением, что даже не замечаем этого. Вместо этого мы замечаем изменений давления на , например, когда наши уши щелкают в быстрых лифтах в небоскребах или в самолетах во время быстрых изменений высоты. Мы используем барометрическое давление разными способами. Мы можем использовать трубочку для питья, потому что при ее всасывании удаляется воздух и, таким образом, снижается давление внутри соломинки.Барометрическое давление, оказывающее давление на жидкость в стакане, затем заставляет жидкость подниматься по соломке.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): атмосферное давление

Один из авторов несколько лет назад посетил национальный парк Роки-Маунтин. После вылета из аэропорта на уровне моря в восточной части Соединенных Штатов он прибыл в Денвер (высота 5280 футов), арендовал машину и поехал на вершину шоссе за пределами Эстес-парка (высота 14000 футов). Он заметил, что даже легкая физическая нагрузка на этой высоте, где атмосферное давление составляет всего 454 мм рт.Преобразуйте это давление в

1. атмосфер (атм).
2. бар.

Дано: Давление в миллиметрах ртутного столба

Запрошено: Давление в атмосферах и барах

Стратегия:

Используйте коэффициенты преобразования в уравнении \ (\ ref {10.2.3} \) для преобразования миллиметров ртутного столба в атмосферы и килопаскали.

Решение:

Из уравнения \ (\ ref {10.2.3} \) имеем 1 атм = 760 мм рт. Ст. = 101.325 кПа. Таким образом, давление на высоте 14000 футов в атм составляет

.

\ [\ begin {align} P & = \ rm 454 \; mmHg \ times \ dfrac {1 \; atm} {760 \; mmHg} \\ [4pt] & = 0.597 \; atm \ nonumber \ end {align } \ nonumber \]

Давление в барах определяется по

.

\ [\ begin {align} P & = \ rm 0.597 \; atm \ times \ dfrac {1.01325 \; bar} {1 \; atm} \\ [4pt] & = 0.605 \; bar \ nonumber \ end {align} \ nonumber \]

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \): барометрическое давление

Эверест на высоте 29 028 футов над уровнем моря — самая высокая гора в мире.Нормальное атмосферное давление на этой высоте составляет около 0,308 атм. Преобразуйте это давление в

1. миллиметров ртутного столба.
2. бар.

Ответьте на

234 мм рт.

Ответ б

0,312 бар

Манометры

Барометры измеряют барометрическое давление, а манометры измеряют давление проб газов, содержащихся в аппарате.Ключевой особенностью манометра является U-образная трубка, содержащая ртуть (или иногда другую нелетучую жидкость). Манометр с закрытым концом схематично показан в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Когда колба не содержит газа (т. Е. Когда в ней почти вакуум), высота двух столбиков ртути одинакова, потому что пространство над ртутью слева — это почти вакуум (он содержит только следы паров ртути. ). Если газ будет выпущен в колбу справа, он окажет давление на ртуть в правом столбце, и два столбца ртути больше не будут одинаковой высоты.Разница между высотами двух колонн равна давлению газа.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): два типа манометров. (a) В манометре с закрытым концом пространство над ртутным столбиком слева (эталонное плечо) по существу представляет собой вакуум ( P ≈ 0), а разница в высоте двух столбцов дает давление газ, содержащийся непосредственно в баллоне. (b) В манометре с открытым концом левое (эталонное) плечо открыто для атмосферы ( P ≈ 1 атм), а разница в высоте двух столбцов дает разность между барометрическим давлением и давлением. давление газа в баллоне.

Если трубка открыта для атмосферы, а не закрыта, как в манометре с открытым концом, показанном в части (b) на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), то два столбика ртути имеют одинаковую высоту, только если газ в баллоне имеет давление, равное барометрическому давлению. Если давление газа в баллоне на выше, чем на , ртуть в открытой трубке будет вытесняться газом, давящим вниз на ртуть в другом плече U-образной трубки. Таким образом, давление газа в баллоне складывается из барометрического давления (измеренного с помощью барометра) и разницы высот двух столбцов.Если давление газа в баллоне на меньше, чем давление атмосферы, то высота ртути будет больше в рычаге, прикрепленном к баллоне. В этом случае давление газа в баллоне равно барометрическому давлению за вычетом разницы в высоте двух колонн.

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Предположим, вы хотите построить манометр с закрытым концом для измерения давления газа в диапазоне 0,000–0,200 атм. Из-за токсичности ртути вы решаете использовать воду, а не ртуть.Какой высоты вам нужен столб воды? (Плотность воды 1,00 г / см ³ ; плотность ртути 13,53 г / см ³ .)

Дано: Диапазон давления и плотности воды и ртути

Запрошено: высота столбца

Стратегия:

1. Рассчитайте высоту столба ртути, соответствующую 0,200 атм в миллиметрах ртутного столба. Это высота, необходимая для столбца, заполненного ртутью.
2. На основе заданных плотностей используйте пропорцию, чтобы вычислить высоту, необходимую для столбца, заполненного водой.

Решение:

A В миллиметрах ртутного столба давление газа 0,200 атм равно

\ [P = \ rm 0.200 \; атм \ times \ dfrac {760 \; мм рт. Ст.} {1 \; атм} = 152 \; мм рт. Ст. \]

При использовании ртутного манометра вам понадобится ртутный столбик высотой не менее 152 мм.

B Поскольку вода менее плотная, чем ртуть, вам потребуется на более высокий столб воды, чтобы достичь того же давления, что и данный столб ртути. Высота, необходимая для водяного столба, соответствующего давлению 0.3} = 2070 \; мм \]

Ответ логичен: для достижения того же давления требуется более высокий столб менее плотной жидкости.

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Предположим, вы хотите создать барометр для измерения барометрического давления в среде, температура которой всегда превышает 30 ° C. Чтобы избежать использования ртути, вы решили использовать галлий, который плавится при 29,76 ° C; плотность жидкого галлия при 25 ° C составляет 6,114 г / см ³ . Какой высоты вам нужен столбик галлия, если P = 1.4 \; мм \ nonumber \\ [4pt] & = 10,3 \; m \ nonumber \ end {align} \ nonumber \]

Всасывающий насос — это просто более сложная версия соломинки: он создает вакуум над жидкостью и использует атмосферное давление, которое заставляет жидкость подниматься по трубке. Если давление в 1 атм соответствует столбу воды 10,3 м (33,8 фута), то при атмосферном давлении физически невозможно поднять воду в колодце выше этого значения. До тех пор, пока не были изобретены электрические насосы для механического выталкивания воды с больших глубин, этот фактор сильно ограничивал место проживания людей, поскольку добывать воду из колодцев глубиной более 33 футов было трудно.

Сводка

Давление определяется как сила, действующая на единицу площади; его можно измерить с помощью барометра или манометра. Для полного физического описания образца газа должны быть известны четыре величины: температура , объем , количество и давление . Давление — сила на единицу площади поверхности; единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па) , определяемая как 1 ньютон на квадратный метр (Н / м ² ).Давление, оказываемое объектом, пропорционально силе, которую он оказывает, и обратно пропорционально площади, на которую действует сила. Давление атмосферы Земли, называемое барометрическим давлением , составляет около 101 кПа или 14,7 фунта / дюйм. ² на уровне моря. барометрическое давление можно измерить с помощью барометра , закрытой перевернутой трубки, заполненной ртутью. Высота ртутного столба пропорциональна барометрическому давлению, которое часто выражается в единицах миллиметров ртутного столба (мм рт. Ст.) , также называемых торр . Стандартное барометрическое давление , давление, необходимое для поддержки столба ртути высотой 760 мм, является еще одной единицей давления: 1 атмосфера (атм) . Манометр — это прибор, используемый для измерения давления пробы газа.

Какой инструмент используется для измерения давления газа?

Наиболее распространенные устройства перечислены ниже.

МАНОМЕТР

Один из методов измерения более высоких давлений — использование манометра.Чувствительный к давлению элемент может быть трубкой, диафрагмой, капсулой или набором сильфонов, которые изменяют форму в ответ на давление газа. Отклонение чувствительного к давлению элемента считывается рычажным механизмом, соединенным с иглой. Типичный диапазон давления составляет от 0–1 бар до 0–600 бар.

АНЕРОИДНЫЙ БАРОМЕТР

Барометр-анероид — это манометр, который откалиброван для измерения давления в приблизительном диапазоне от 950 до 1070 мбар. Если вам нужно было узнать атмосферное давление для лабораторного эксперимента, вы или ваш инструктор, вероятно, получили его с помощью барометра-анероида.

МАНОМЕТР U-ТРУБКИ

Простым устройством для измерения давления газа является манометр с U-образной трубкой. Обычно он содержит воду или ртуть в U-образной трубке. Один конец U-образной трубки подвергается неизвестному давлению, а другой конец открыт для атмосферы.

Давление газа представлено разностью высот между двумя уровнями Δh и измеряется калиброванной шкалой, расположенной за столбиками жидкости. Вы, наверное, тоже использовали подобное устройство в лаборатории.

ВАКУУММАН

Вакуумметр похож на манометр. Обычные манометры измеряют давление от 1000 мбар до примерно 50 мбар. Однако некоторые специализированные устройства измеряют давление до 10⁻¹⁴ бар.

(от Actrol)

ДАТЧИК McLEOD

Манометр Маклеода изолирует пробу газа и сжимает ее в модифицированном ртутном манометре до тех пор, пока давление не достигнет нескольких миллибар. Его полезный диапазон составляет от 100 нбар до 1 нбар.

Давление газа · Химия

Давление газа · Химия

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить свойство давления
• Определение и преобразование единиц измерения давления
• Описать работу обычных инструментов для измерения давления газа
• Рассчитать давление по данным манометра

Атмосфера Земли оказывает давление, как и любой другой газ.Хотя обычно мы не замечаем атмосферное давление, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под водой. Давление газа вызывается силой, действующей при столкновении молекул газа с поверхностями объектов ([ссылка]). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади подвергается большому количеству столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если он не уравновешен равным давлением внутри контейнера.

В этом коротком видеоролике наглядно показано атмосферное давление, в котором показан взрыв железнодорожной цистерны при понижении внутреннего давления.

Кратко объясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Атмосферное давление создается за счет веса столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например цистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике, или обычного шара для боулинга, опирающегося на большой палец руки.Может показаться, что их огромное количество, и так оно и есть, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле поставите шар для боулинга на ноготь большого пальца руки, испытанное давление будет в удвоено обычного давления, и ощущение будет неприятным.

Как правило, давление определяется как сила, действующая на заданную область: P = FA.

Обратите внимание, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади. Таким образом, давление может быть увеличено либо за счет увеличения силы, либо за счет уменьшения площади, по которой оно применяется; давление можно уменьшить, уменьшив силу или увеличив площадь.

Давайте применим эту концепцию, чтобы определить, кто с большей вероятностью проваливается сквозь тонкий лед в [ссылка] — слон или фигурист? Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре ноги, каждая из которых имеет диаметр около 1,5 футов (площадь отпечатка 250 в ² ), поэтому давление, оказываемое каждой ногой, составляет около 14 фунтов / дюйм ² :

давление на ногу слона = 14000 фунтов слон × 1 слон 4 фута × 1 фут 250 дюймов2 = 14 фунтов / дюйм 2

Фигурист весит около 120 фунтов, опираясь на два лезвия конька, каждое с площадью около 2 дюймов ² , поэтому давление, оказываемое каждым лезвием, составляет около 30 фунтов / дюйм ² :

давление на одно лезвие конька = 120 фунтов на конькобежный спорт × 1 на коньках 2 лезвия × 1 лезвие 2 дюйм2 = 30 фунтов / дюйм 2

Даже несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее фигуриста, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет через 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:

давление на ногу человека = 120 фунтов на конькобежца × 1 на 2 фута на 1 фут 30 дюймов2 = 2 фунта / дюйм2

Единица давления в системе СИ — паскаль (Па) , где 1 Па = 1 Н / м ² , где N — ньютон, единица силы, определяемая как 1 кг м / с ² . Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100000 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 прибора атмосфера (атм) , который первоначально представлял среднее атмосферное давление на уровне моря на приблизительной широте Парижа (45 °). [ссылка] предоставляет некоторую информацию об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

Единицы давления
Наименование и сокращение	Определение или отношение к другой единице
паскаль (Па)	1 Па = 1 Н / м 2 рекомендованный блок IUPAC
килопаскаль (кПа)	1 кПа = 1000 Па
фунтов на квадратный дюйм (psi)	Давление воздуха на уровне моря составляет ~ 14.7 фунтов на кв. Дюйм
атмосфера (атм)	1 атм = 101,325 Па Давление воздуха на уровне моря ~ 1 атм
бар (бар, или бар)	1 бар = 100000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мбар)	1000 мбар = 1 бар
дюйма ртутного столба (дюймы рт. Ст.)	1 дюйм Hg = 3386 Па используется в авиационной промышленности, а также в некоторых сводках погоды
торр	1 торр = 1760атм назван в честь Евангелисты Торричелли, изобретателя барометра
миллиметры ртутного столба (мм рт. Ст.)	1 мм рт. Ст. ~ 1 торр

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

(а) торр

(б) атм

(c) кПа

(d) мбар

Решение Это проблема преобразования единиц измерения. Отношения между различными единицами измерения давления приведены в [ссылка].

(a) 29,2 дюйма рт. Ст. × 25,4 мм1 дюйм × 1 торр 1 мм рт. Ст. = 742 торр

(б) 742 торр × 1 атм 760 торр = 0,976 атм

(c) 742torr × 101,325 кПа 760torr = 98,9 кПа

(d) 98,9 кПа × 1000 Па 1 кПа × 1 бар 100 000 Па × 1000 мбар 1 бар = 989 мбар

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

Отвечать:

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

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, действующую со стороны атмосферы на земную поверхность, с помощью барометра ([ссылка]). Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца, заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в контейнер с этой жидкостью.Атмосфера оказывает давление на жидкость за пределами трубки, столб жидкости оказывает давление внутри трубки, а давление на поверхности жидкости одинаково внутри и снаружи трубки. Следовательно, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению, оказываемому атмосферой.

Если жидкостью является вода, 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 раз плотнее воды, ртутный барометр должен быть только 113,6

высотой с водяной барометр — более подходящий размер. Стандартное атмосферное давление в 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует столбу ртути высотой около 760 мм (29,92 дюйма). торр изначально задумывался как единица измерения, равная одному миллиметру ртутного столба, но больше не соответствует точно. Давление, оказываемое жидкостью под действием силы тяжести, известно как гидростатическое давление , p :

.

p = hρg

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

Расчет барометрического давления Покажите расчет, подтверждающий утверждение о том, что атмосферное давление вблизи уровня моря соответствует давлению, оказываемому столбом ртути высотой около 760 мм. Плотность ртути = 13,6 г / см ³ .

Решение Гидростатическое давление определяется как p = hρg , при h = 760 мм, ρ = 13,6 г / см ³ и g = 9,81 м / с ² . Включение этих значений в уравнение и выполнение необходимых преобразований единиц даст нам искомое значение.(Примечание: мы ожидаем найти давление ~ 101,325 Па 🙂

101,325 Н / м2 = 101,325 кг · м / с2м2 = 101,325 кг · м · с2

p = (760 мм × 1 м1000 мм) × (13,6 г1см3 × 1 кг1000 г × (100 см) 3 (1 м) 3) × (9,81 м1с2)

= (0,760 м) (13,600 кг / м3) (9,81 м / с2) = 1,01 × 105 кг / мс2 = 1,01 × 105 Н / м2

= 1,01 × 105 Па

Проверьте свои знания Рассчитайте высоту столба воды при 25 ° C, что соответствует нормальному атмосферному давлению. Плотность воды при этой температуре равна 1.0 г / см ³ .

Манометр — устройство, подобное барометру, которое может использоваться для измерения давления газа, находящегося в контейнере. Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, одним плечом, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними. Как и в случае с барометром, расстояние между уровнями жидкости в двух рукавах трубки ( х на диаграмме) пропорционально давлению газа в баллоне.Манометр с открытым концом ([ссылка]) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно из его рукавов открыто для атмосферы. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в емкости и атмосферой.

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

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Решение Давление газа равно столбу ртути высотой 26.4 см. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 26,4 см ртутного столба.) Мы могли бы использовать уравнение p = hρg как в [ссылка], но проще просто преобразовать единицы с помощью [ссылка].

(a) 26,4 см рт. Ст. × 10 мм рт. Ст. 1 см рт. Ст. × 1 торр 1 мм рт. Ст. = 264 торр

(b) 264 торр × 1 атм. 760 торр × 101,325 Па · 1 атм = 35 200 Па

(c) 35 200 Па × 1 бар 100 000 Па = 0.352 бар

Проверьте свои знания Давление пробы газа измеряется манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре — ртуть. Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Отвечать:

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

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

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Решение Давление газа равно гидростатическому давлению столба ртути высотой 13,7 см плюс давление атмосферы на уровне моря. (Давление в нижней горизонтальной линии одинаково с обеих сторон трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 13,7 см ртутного столба плюс атмосферное давление.)

(a) В мм рт. Ст. Это: 137 мм рт. Ст. + 760 мм рт. Ст. = 897 мм рт. Ст.

(б) 897 мм рт. Ст. × 1 атм. 760 мм рт. Ст. = 1.18 атм

(c) 1,18 атм × 101,325 кПа1атм = 1,20 × 102 кПа

Проверьте свои знания Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом, как показано справа. Определите давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Отвечать:

(а) 642 мм рт. (б) 0,845 атм; (c) 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, когда кровоток начинается и когда он становится затрудненным ([ссылка]). 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, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать после небольшого обучения, но у них есть ограничения.При использовании сфигмоманометра манжета надевается на плечо и накачивается до тех пор, пока кровоток полностью не блокируется, а затем медленно отпускается. Когда сердце бьется, кровь, проходящая через артерии, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, составляет систолического давления — пикового давления в сердечном цикле. Когда давление в манжете сравняется с артериальным систолическим давлением, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа.За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к новому удару. Поскольку давление в манжете продолжает снижаться, звук в конечном итоге перестает быть слышным; это диастолическое давление — наименьшее давление (фаза покоя) в сердечном цикле. Единицы измерения артериального давления тонометра выражаются в миллиметрах ртутного столба (мм рт. Ст.).

Метеорология, климатология и атмосферные науки

На протяжении веков люди наблюдали облака, ветры и осадки, пытаясь определить закономерности и сделать прогнозы: 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 атмосферная наука. Метеорология — это изучение атмосферы, атмосферных явлений и атмосферных воздействий на погоду Земли. Метеорологи стремятся понять и предсказать погоду в краткосрочной перспективе, что может спасти жизни и принести пользу экономике.Прогнозы погоды ([ссылка]) являются результатом тысяч измерений атмосферного давления, температуры и т. Д., Которые собираются, моделируются и анализируются в метеорологических центрах по всему миру.

С точки зрения погоды, системы низкого давления возникают, когда атмосферное давление на поверхности земли ниже, чем в окружающей среде: влажный воздух поднимается 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, имеющая толщину примерно 100–125 км, состоит примерно на 78,1% азота и 21,0% кислорода и может быть подразделена на регионы, показанные на [ссылка]: экзосфера (наиболее 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% атмосферы Земли по массе и слой, в котором происходит большинство погодных явлений).По мере того, как вы поднимаетесь в тропосфере, плотность и температура воздуха снижаются.

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

Основные понятия и краткое изложение

Газы оказывают давление, то есть силу 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 можно измерить с помощью одного из нескольких типов манометров.

Ключевые уравнения

Химия: упражнения в конце главы

Почему острые ножи более эффективны, чем тупые (Подсказка: подумайте об определении давления)?

Режущая кромка заточенного ножа имеет меньшую площадь поверхности, чем затупившийся нож.Поскольку давление — это сила на единицу площади, острый нож будет оказывать более высокое давление с той же силой и более эффективно прорезать материал.

Почему у некоторых небольших мостов есть ограничения по весу, зависящие от количества колес или осей у проезжающего транспортного средства?

Почему вам лучше кататься или ползать животом, чем ходить по замерзшему пруду?

Лежа распределяет ваш вес на большую площадь поверхности, оказывая меньшее давление на лед, чем стоя.Если вы будете меньше нажимать, у вас меньше шансов пробить тонкий лед.

Типичное атмосферное давление в Реддинге, Калифорния, составляет около 750 мм рт. Вычислите это давление в атм и кПа.

Типичное атмосферное давление в Денвере, штат Колорадо, составляет 615 мм рт. Что это за давление в атмосферах и килопаскалях?

Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Что это за давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба и килопаскалях?

Канадские манометры имеют маркировку в килопаскалях.Какое значение на таком манометре соответствует 32 фунтам на квадратный дюйм?

Во время высадки викингов на Марс было определено, что атмосферное давление в среднем составляет около 6,50 мбар (1 бар = 0,987 атм). Что это за давление в торр и кПа?

Давление атмосферы на поверхности планеты Венера составляет около 88,8 атм. Сравните это давление в фунтах на квадратный дюйм с нормальным давлением на Земле на уровне моря в фунтах на квадратный дюйм.

Земля: 14,7 фунта на дюйм ^–2 ; Венера: 1.31 × 10 ³ фунтов на дюйм ⁻²

Каталог медицинских лабораторий описывает давление в баллоне газа как 14,82 МПа. Какое давление у этого газа в атмосферах и торр?

Рассмотрите этот сценарий и ответьте на следующие вопросы: Днем в середине августа на северо-востоке США в местной газете появилась следующая информация: атмосферное давление на уровне моря 29,97 дюйма ртутного столба, 1013,9 мбар.

(а) Какое было давление в кПа?

(b) Давление у берега моря на северо-востоке США обычно составляет около 30.0 дюймов рт. Ст. Во время урагана давление может упасть примерно до 28,0 дюймов рт. Ст. Рассчитайте падение давления в торр.

(а) 101,5 кПа; (б) падение 51 торр

Почему необходимо использовать нелетучую жидкость в барометре или манометре?

Давление пробы газа измеряется на уровне моря манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре — ртуть. Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

(а) 264 торр; (b) 35 200 Па; (в) 0.352 бар

Давление пробы газа измеряется манометром с открытым концом, частично показанным справа. Жидкость в манометре — ртуть. Предполагая, что атмосферное давление составляет 29,92 дюйма рт. Ст., Определите давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом. При атмосферном давлении 760.0 мм рт. Ст., Определить давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

(а) 623 мм рт. (б) 0,820 атм; (c) 83,1 кПа

Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом. Предполагая, что атмосферное давление составляет 760 мм рт. Ст., Определите давление газа в:

(а) мм рт. Ст.

(б) атм

(c) кПа

Как использование летучей жидкости повлияет на измерение газа с помощью манометров открытого типа по сравнению сзакрытые манометры?

При использовании манометра с закрытым концом никаких изменений не наблюдалось бы, поскольку испаренная жидкость будет вносить равные противодействующие давления в обоих рукавах трубки манометра. Однако при использовании манометра с открытым концом показания давления газа будут выше, чем ожидалось, поскольку P _газ = P _атм + P _{объем жидкости} .

Глоссарий

атмосфера (атм)

единица давления; 1 атм = 101,325 Па

бар

(бар или б) единица давления; 1 бар = 100000 Па

барометр

прибор для измерения атмосферного давления

гидростатическое давление

Давление жидкости под действием силы тяжести

манометр

Устройство для измерения давления газа, находящегося в контейнере

паскаль (Па)

единица давления СИ; 1 Па = 1 Н / м ²

фунтов на квадратный дюйм (psi)

единица давления общепринятая в США

давление

сила на единицу площади

торр

единица давления; 1 торр = 1760атм

---

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Международная лицензия.

Вы также можете бесплатно скачать по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]

Атрибуция:

Закон о газе

ДОМ Главы курса Основы калькулятора Обзор математики Основные понятия Advanced Concepts Раздел Тесты Предварительное испытание Пост-тест Полезные материалы Глоссарий Онлайн-калькуляторы Калькулятор окислительно-восстановительного потенциала Калькулятор кинетики Аррениуса Калькулятор термодинамики Калькулятор ядерного распада Регрессия методом наименьших квадратов Решатель уравнений метода Ньютона Калькулятор сжимаемости Калькулятор перевода единиц Калькулятор номенклатуры Ссылки по теме Калькуляторы Texas Instruments Калькуляторы Casio Калькуляторы Sharp Калькуляторы Hewlett Packard Кредиты Связаться с веб-мастером

Газы ведут себя иначе, чем два других обычно изучаемых состояния вещества, твердых и жидких, поэтому у нас есть разные методы обработки и понимания того, как газы ведут себя в определенных условиях.Газы, в отличие от твердых тел и жидкостей, не имеют фиксированного объема и формы. Они полностью сформированы контейнером, в котором они находятся. У нас есть три переменные, с помощью которых мы измерять газы: давление, объем и температуру. Давление измеряется как сила на единицу площади. Стандартной единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Однако обычно используются атмосферы (атм) и несколько других единиц. В таблице ниже показаны преобразования между этими единицами измерения. Единицы давления 1 паскаль (Па) 1 Н * м -2 = 1 кг * м -1 * с -2 1 атмосфера (атм) 1.01325 * 10 5 Па 1 атмосфера (атм) 760 торр 1 бар 10 5 Па Объем связан между всеми газами гипотезой Авогадро, которая гласит: равные объемы газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул. Отсюда мы получаем молярный объем газа (объем / моль газа). Это значение при 1 атм и 0 ° C показано ниже. V м = В n = 22,4 л при 0 ° C и 1 атм Где: V м = молярный объем в литрах, объем, который занимает один моль газа в этих условиях V = объем в литрах n = моль газа Уравнение, которое химики называют законом идеального газа , показанное ниже, связывает объем, температуру и давление газа с учетом количества присутствующего газа. PV = nRT Где: P = давление в атм. T = температура в Кельвинах R — молярная газовая постоянная , где R = 0,082058 л атм. Моль -1 K -1 . Закон идеального газа предполагает несколько факторов, касающихся молекул газа. Объем молекул считается незначительным по сравнению с объемом контейнера, в котором они содержатся.Мы также предполагаем, что молекулы газа движутся беспорядочно и сталкиваются в полностью упругих столкновениях. Поэтому силы притяжения и отталкивания между молекулами считаются незначительными. Пример проблемы: давление газа 0,892 атм в контейнере объемом 5,00 л при температуре 15 ° C. Плотность газа 1,22 г / л. Какова молекулярная масса газа? Ответ: PV = nRT Т = 273 + 15 = 228 (0.892) (5,00) = п (0,0821) (288) n = 0,189 моль 0,189 моль 5,00 л x x грамм 1 моль = 1,22 г / л x = Молекулярный вес = 32,3 г / моль Мы также можем использовать закон идеального газа, чтобы количественно определить, как меняется давление, температура, объем и количество молей вещества влияет на систему.Поскольку газовая постоянная R одинакова для всех газов в любой ситуации, если вы решите R в Законе идеального газа, а затем установите два закона газа, равные друг другу, вы получите Закон комбинированного газа: P 1 V 1 n 1 T 1 = P 2 V 2 n 2 T 2 Где: значения с нижним индексом «1» относятся к начальным условиям значений с нижним индексом «2» относятся к конечным условиям Если вы знаете начальные условия системы и хотите определить новое давление после увеличения объема при сохранении количества моль и температура одинаковы, введите все известные вам значения и затем просто найдите неизвестное значение. Пример проблемы: Проба газа объемом 25,0 мл помещается в колбу при 22 ° C. Если бы колбу поместили в ледяную баню при 0 ° C, каким был бы новый объем газа, если бы давление оставалось постоянным? Ответ: Поскольку давление и количество молей остаются постоянными, нам не нужно представлять их в уравнении, потому что их значения отменяются. Таким образом, уравнение комбинированного газового закона принимает следующий вид: V 1 T 1 = В 2 Т 2 25.0 мл 295 К = В 2 273 К V 2 = 23,1 мл Мы можем применить закон идеального газа для решения нескольких проблем. До сих пор мы рассматривали только газы одного вещества — чистые газы. Мы также понимаем, что происходит, когда в одной емкости смешиваются несколько веществ. Согласно закону парциальных давлений Дальтона, мы знаем, что полное давление, оказываемое на емкость несколькими разными газами, равно сумме давлений, оказываемых на емкость каждым газом. P t = P 1 + P 2 + P 3 + … Где: P т = полное давление P 1 = парциальное давление газа «1» P 2 = парциальное давление газа «2» и так далее Используя закон идеального газа и сравнивая давление одного газа с общим давлением, мы решаем мольную долю. P 1 P т = n 2 RT / V n t RT / V = n 1 n t = X 1 Где: X 1 = мольная доля газа «1» И обнаружите, что парциальное давление каждого газа в смеси равно общему давлению, умноженному на мольную долю. P 1 = n 1 n t P т = X 1 P т Пример проблемы: образец PCl 5 весом 10,73 г помещается в 4,00 Колба L при 200 ° C. а) Каково начальное давление в колбе до начала реакции? б) PCl 5 диссоциирует в соответствии с уравнением: PCl 5 (г) -> PCl 3 (г) + Cl 2 (г).Если половина от общего числа молей PCl 5 (г) диссоциирует и наблюдаемое давление составляет 1,25 атм, каково парциальное давление Cl 2 (г)? Как мы заявляли ранее, форма газа полностью определяется контейнером, в котором газ держится. Однако иногда в контейнере могут быть небольшие отверстия, или утечки. Молекулы будут вытекать из этих утечек в процессе, называемом излиянием. Потому что массивные молекулы путешествуют медленнее, чем более легкие молекулы, скорость излияния зависит от каждого конкретный газ.Мы используем закон Грэма , чтобы представить взаимосвязь между скоростью излияния для двоих. разные молекулы. Это отношение равно квадратному корню из обратной величины молекулярные массы двух веществ. Где: r 1 = скорость истечения в молекулах в единицу времени газа «1» r 2 = скорость истечения в молекулах в единицу времени газа «2» u 1 = молекулярная масса газа «1» u 2 = молекулярная масса газа «2» Ранее мы рассматривали только идеальные газы, которые соответствуют предположениям закона идеального газа.Однако газы никогда не находятся в идеальном состоянии. Все атомы каждого газа имеют массу и объем. При низком давлении и низкой температуре газы ведут себя так же, как газы в идеальном состоянии. Когда давление и повышение температуры, газы все дальше отклоняются от идеального состояния. Мы должны принять новые стандарты, и рассмотрите новые переменные, чтобы учесть эти изменения. Общее уравнение, используемое для лучшего представления газ, который не близок к идеальным условиям, представляет собой уравнение Ван-дер-Ваальса , показанное ниже. Где константы Ван-дер-Ваальса: a учитывает молекулярное притяжение b учитывает объем молекул В таблице ниже приведены значения для a и b нескольких различных соединений и элементов. Виды a (дм 6 бар моль -2 ) б (дм 3 моль -1 ) Гелий 0.034598 0,023733 Водород 0,24646 0,026665 Азот 1,3661 0,038577 Кислород 1,3820 0,031860 Бензол 18,876 0,11974 Практика закона об идеальном газе Задача: 2,00 г газообразного водорода и 19,2 г газообразного кислорода помещаются в емкость 100.Контейнер 0 л. Эти газы реагируют с образованием H 2 O (г). В конце реакции температура составляет 38 ° C. а) Какое давление при завершении реакции? б) Если бы температура была повышена до 77 ° C, какое новое давление было бы в том же контейнере? Идеальное газовое решение. Практическая задача с давлением: 1 моль газообразного кислорода и 2 моля аммиака помещают в контейнер и оставляют реагируют при 850 ° C в соответствии с уравнением: 4 NH 3 (г) + 5 O 2 (г) -> 4 NO (г) + 6 H 2 O (г) a) Если общее давление в баллоне 5.00 атм, каковы парциальные давления для трех оставшихся газов? б) Используя закон Грэма, каково отношение скоростей излияния NH 3 (г) к O 2 (г)? Раствор под давлением. Сжимаемость и идеальный газ Приближение: интерактивный онлайн-инструмент [Расширенный указатель] [Газовые законы] [Термодинамика] [Кинетика] [Equilibria] [окислительно-восстановительные реакции] [Ядерная химия]

Объяснение измерения давления

Согласно Международной организации по стандартизации, стандарт ISO 2533: 1975 определяет стандартное атмосферное давление 101,325 Па (1 атм, 1013.25 мбар или 14,6959 фунтов на кв. Дюйм). Атмосферное атмосферное давление на Земле динамично и меняется в зависимости от погоды, климата и высоты. Типичные колебания атмосферного давления на уровне моря составляют от 925 до 1050 гПа. Давление на поверхности Земли снижается примерно на 0,1 гПа на метр (до высоты около 6 км).

Для более точного расчета зависимости атмосферного давления от высоты над уровнем моря также необходимо учитывать температуру воздуха.

Датчик абсолютного давления

Абсолютное давление — это величина давления, измеренная относительно нуля, что в терминах давления представляет собой идеальный вакуум.Например, измерение абсолютного давления используется для измерения изменений атмосферного давления из-за изменений погодных условий.

Датчик абсолютного давления на основе диафрагмы имеет одну сторону диафрагмы, открытую для постоянно герметичной вакуумной полости, встроенной в чувствительный элемент, и другую сторону диафрагмы, открытую для измеряемой среды под давлением.

Датчик избыточного давления

Манометрическое давление — это величина давления, измеренная относительно атмосферного давления окружающей среды.Датчики давления с датчиком манометрического давления на основе диафрагмы имеют одну сторону диафрагмы, подверженную окружающему атмосферному давлению, а другую сторону диафрагмы — приложенному давлению.

Датчики избыточного давления будут показывать отрицательное давление при воздействии вакуума и положительное показание при воздействии давления выше атмосферного. При атмосферном давлении окружающей среды давление выравнивается между двумя сторонами диафрагмы, и датчик дает нулевое показание.

Разновидностью датчика избыточного давления является герметичный датчик избыточного давления, в котором одна сторона мембраны находится в герметичной полости со статическим давлением 1 бар, эквивалентным стандартному атмосферному давлению. Герметичные манометрические датчики обычно используются для датчиков высокого давления, где с точки зрения безопасности нецелесообразно отделять среду высокого давления от атмосферы только тонкой диафрагмой.

Датчик перепада давления

Дифференциальное давление — это давление, измеренное между двумя независимыми силами давления.

Преобразователи давления с диафрагменным датчиком перепада давления, одна сторона диафрагмы которого подвергается воздействию одной среды под давлением, а другая сторона диафрагмы — второй среде под давлением. Значение перепада давления — это разница давлений между двумя средами давления.

Датчик косвенного давления

Уровень давления газа ниже атмосферного называется вакуумом. В вакуумных системах давление обычно измеряется косвенно. Из-за низкой плотности газа при давлениях ниже 1 × 10 ^-5 гПа (высокий вакуум) сила, оказываемая газом, не может быть измерена прямыми методами, такими как отклонение диафрагмы.

Вместо этого в системах с высоким вакуумом давление измеряется с помощью методов косвенного измерения давления. Например, давление может быть определено непосредственно путем измерения теплопроводности газовой среды под давлением от горячего провода, подвешенного в трубке, или горячего резистивного элемента на микромашинной кремниевой диафрагме. Термометр Пирани может использоваться для измерения давления до 1 × 10 ^-4 гПа. Датчик Пирани MEMS имеет преимущество более широкого динамического диапазона измерения, а недавняя инновация в технологии вакуумметров расширила диапазон измерения до 1 × 10 ^-6 гПа.

Для измерения давления в диапазоне сверхвысокого вакуума используются ионизационные датчики с горячим или холодным катодом. Этот тип датчиков косвенно измеряет путем ионизации молекул газа и может использоваться для измерения давления до 1 × 10 ^-12 гПа.

Обсуждение и выводы

Измерение давления и вакуума широко используется в промышленных и научных приложениях. Его можно измерить с помощью множества различных типов датчиков, методов и технологий измерения.Выбор метода измерения и типа датчика зависит от области применения и требований.

Литература

1. A. Brenan; Измерение полного давления в вакуумной технике
2. Международная организация по стандартизации; ISO 2533: 1975, Стандартная атмосфера
3. О.