Как определяется абсолютное давление: Что такое избыточное давление

Содержание

Абсолютное давление — формула и примеры расчетов :: SYL.ru

Любое вещество может быть описано своими физико-химическим параметрами. В отличие от жидких и твердых веществ, чье состояние может быть охарактеризовано температурой и плотностью, газы имеют еще один показатель, который называется «давление». Эта физическая величина для газообразного вещества может быть представлена итоговым значением сил ударов молекул о стенки сосуда, содержащего газ. Чем больше молекул ударяется о стенки, чем больше их масса, скорость и сила воздействия на стенки сосуда– тем выше показатель давления.

Классификация

Физики различают атмосферное, абсолютное и избыточное давление. Эти виды величин связаны между собой посредством физических формул.

Единицы измерения давления

Существует множество традиционных единиц давления, которые сложились в результате развития физических дисциплин. Наиболее распространенными их них являются «бар», «атмосфера», «мм ртутного столба» и другие производные от них величины. В физических процессах этот параметр обозначается литерой Р, измеряется в паскалях и производных от него единицах. В письменном виде паскаль отображается так: [Па].

Понятие атмосферного давления

Окружающий нас воздух состоит из постоянно движущихся молекул, которые сталкиваются с земной поверхностью,находящимися на ней предметами и между собой. Из ударов крохотных частиц складывается итоговое давление. Данный параметр называется атмосферными, или барометрическим давлением.

Но, как показали измерения, Р_атм в значительной степени зависит от температуры окружающей среды и высоты над уровнем моря. Поэтому для объяснения физических процессов и решения задач текущие параметры атмосферного давления сводят к нормальным условиям. Начальные параметры Р_атм определяются при показателе температуры 0⁰ С над нулевым уровнем моря.

Что такое абсолютное давление

Стандартные способы измерения давления обычно используют атмосферное давление в качестве точки отсчета. Обычно этот параметр измеряется различными приборами. Наиболее популярными из которых являются барометры.

В других случаях применяют отношение наблюдаемого давления к вакууму или к другой выбранной отметке. Чтобы обозначить выбранные категории, применяют такие определения:

Абсолютное давление газа: является параметром точки перехода между вакуумом и наблюдаемым давлением.
Избыточное давление: для него точкой отсчета становится давление атмосферное. Вычисляется этот показатель как разность между абсолютным и атмосферным давлением.
Дифференциальное давление – является разностью показателей между двумя произвольными точками измерений.

Дифференциальное, абсолютное и избыточное давление визуально может быть представлено так:

Избыточное и абсолютное давление логически связаны между собой. Значение абсолютного давления можно получить, измерив наблюдаемое давление и прибавив к нему величину атмосферного Р.

В случае избыточного давления точкой отсчета служит значение атмосферного P. Таким образом, эта величина может быть представлена как разность между абсолютным давлением и атмосферным. Абсолютное и избыточное давление не может быть отрицательным. При Р_абс=0 давление становится равным атмосферному показателю этой величины. Если быть точным, то Р_абс не может быть равно вакууму – всегда остается какая-то величина, сформированная, например, давлением насыщенных паров в жидкости. Но в случае тяжелых жидкостей этот параметр очень незначителен, поэтому в первоначальных расчетах, не требующих точного вычисления, вполне допустимо.

Что такое абсолютное давление воздуха

Абсолютное давление воздуха можно измерить лишь в сосудах с другими веществами – с жидкостями или газами. Так, данный параметр довольно часто измеряется в закрытых сосудах с жидкостями. Как и в первом случае, абсолютное давление воздуха в закрытом сосуде можно измерить,как разницу между наблюдаемым Р и атмосферным.

Пьезометрическая высота

Как это часто бывает, наряду с общепринятыми единицами измерения физических величин, используются и исторические. Пьезометрическая высота -это одна из таких величин. Она может быть измерена специальным прибором, представляющим собой стеклянную трубку, верхняя часть которой незапечатана и открыто сообщается с атмосферой, а нижняя присоединена к сосуду, в котором измеряется давление. Прибор, при помощи которого можно провести подобные измерения, представлен ниже:

Если к давлению, наблюдаемому в сосуде, применить законы гидростатики, можно получить такое выражение для абсолютного давления:

Здесь р_а– атмосферное давление, а выражение gρh_p представляет собой произведение высоты столба жидкости на ее плотность и на значение силы тяжести. Так можно измерить абсолютное значение газа в любом сосуде.

2.1.2. Давление абсолютное, избыточное, вакуум

Числовое значение давления определяется не только принятой системой единиц, но и выбранным началом отсчета. Исторически сложились три системы отсчета давления: абсолютная, избыточная и вакуумметрическая (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Шкалы давления. Связь между давлением

абсолютным, избыточным и вакуумом

Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля (рис. 2.2). В этой системе атмосферное давление. Следовательно, абсолютное давление равно

Абсолютное давление всегда является величиной положительной.

Избыточное давление отсчитывается от атмосферного давления, т.е. от условного нуля. Чтобы перейти от абсолютного к избыточному давлению необходимо вычесть из абсолютного давления атмосферное, которое в приближенных расчетах можно принять равным 1

ат:

Иногда избыточное давление называют манометрическим.

Вакуумметрическим давлением или вакуумом называется недостаток давления до атмосферного

Избыточное давление показывает либо избыток над атмосферным, либо недостаток до атмосферного. Ясно, что вакуум может быть представлен как отрицательное избыточное давление

Как видно, эти три шкалы давления различаются между собой либо началом, либо направлением отсчета, хотя сам отсчет может вестись при этом в одной и той же системе единиц. Если давление определяется в технических атмосферах, то к обозначению единицы давления (ат) приписывается ещё одна буква, в зависимости от того, какое давление принято за «нулевое» и в каком направлении ведется положительный отсчет.

Например:

— абсолютное давление равно 1,5 кг/см²;

— избыточное давление равно 0,5 кг/см²;

— вакуум составляет 0,1 кг/см².

Чаще всего инженера интересует не абсолютное давление, а его отличие от атмосферного, поскольку стенки конструкций (бака, трубопровода и т.п.) обычно испытывают действие разности этих давлений. Поэтому в большинстве случаев приборы для измерения давления (манометры, вакуумметры) показывают непосредственно избыточное (манометрическое) давление или вакуум.

Единицы давления. Как следует из самого определения давления, его размерность совпадает с размерностью напряжения, т.е. представляет собой размерность силы, отнесенную к размерности площади.

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль — давление, вызываемое силой, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью, т.е.. Наряду с этой единицей давления применяют укрупненные единицы: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа):

; ;.

В технике в настоящее время в некоторых случаях продолжают применять также техническую МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда, а) и физическую СГС (сантиметр, грамм, секунда) системы единиц. Используются также внесистемные единицы — техническую атмосферу и бар:

Не следует также смешивать техническую атмосферу с физической, которая все ещё имеет некоторое распространение в качестве единицы давления:

Гидростатическое давление обладает двумя основными свойствами.

1-ое свойство. Силы гидростатического давления в покоящейся жидкости всегда направлены внутрь по нормали к площадке действия, т.е. являются сжимающими.

Это свойство доказывается от противного. Если предположить, что силы направлены по нормали наружу, то это равносильно появлению в жидкости растягивающих напряжений, которых она воспринимать не может (это вытекает из свойств жидкости).

2-ое свойство. Величина гидростатического давления в любой точке жидкости по всем направлениям одинаково, т.е. не зависит от ориентации в пространстве площадки, на которую оно действует

где — гидростатические давления по направлению координатных осей;

— то же по произвольному направлению .

Для доказательства этого свойства выделим в неподвижной жидкости элементарный объем в форме тетраэдра с ребрами, параллельными координатным осям и соответственно равными

, и (рис.

2.3).

Рис. 2.3. Схема для доказательства свойства

о независимости гидростатического давления от направления

Введем обозначения: — гидростатическое давление, действующее на грань, нормальную к оси ;

— давление на грань, нормальную к оси ;

— давление, действующее на наклонную грань;

— площадь этой грани;

— плотность жидкости.

Запишем условия равновесия для тетраэдра (как для твердого тела) в виде трех уравнений проекций сил и трех уравнений моментов:

, ,;

, ,.

При уменьшении в пределе объема тетраэдра до нуля система действующих сил преобразуется в систему сил проходящих через одну точку, и, таким образом, уравнения моментов теряют смысл.

Таким образом, внутри выделенного объема на жидкость действует единичная массовая сила, проекции ускорений которой равны , , и . В гидравлике принято массовые силы относить к единице массы, а так как , то проекция единичной массовой силы численно будет равна ускорению.

; ;,

где ,,- проекции единичной массовой силы на оси координат;

— масса жидкости;

— ускорение.

Составим уравнение равновесия выделенного объема жидкости в направлении оси , учитывая при этом, что все силы направлены по нормалям к соответствующим площадкам внутрь объема жидкости:

, (2.4)

где — проекция силы от гидростатического давления;

— проекция силы от давления ;

— проекция массовой силы, действующей на тетраэдр.

Разделив уравнение (2.2) на площадь , которая равна площади проекции наклонной грани на плоскость , т. е. , получим

При стремлении размеров тетраэдра к нулю последний член уравнения, содержащий множитель , также стремится к нулю , а давленияи остаются величинами конечными.

Следовательно, в пределе получим

или .

Аналогично составляя уравнения равновесия вдоль осей и , находим

, ,

или .

Так как размеры тетраэдра , и и наклон площадки взяты произвольно, то, следовательно, в пределе при стягивании тетраэдра в точку давление в этой точке по всем направлениям будет одинаково. Что и требовалось доказать.

Рассмотренное свойство давления в неподвижной жидкости имеет место также при движении невязкой (идеальной) жидкости. При движении же реальной жидкости возникают касательные напряжения, вследствие чего давление в реальной жидкости указанным свойством, строго говоря, не обладает.

В общем случае давление в точке зависит от координат рассматриваемой точки, а при неустановившемся движении жидкости может изменяться в каждой данной точке с течением времени: .

Атмосферное, абсолютное, манометрическое и дифференциальное давление

Рисунок 1: Визуализация различных типов давления: абсолютное давление (A), манометрическое давление (B), вакуумное давление (C), атмосферное давление (D) и абсолютное нулевое давление (E).

Давление — это мера силы на единицу площади. Существуют различные типы измерения давления. Существует два эталонных давления: атмосферное и абсолютное нулевое давление. Атмосферное давление на уровне моря составляет 1,013 бар (14,7 фунта на кв. дюйм). Абсолютное нулевое давление теоретически является идеальным вакуумом. Условия идеального вакуума невозможно создать даже в межзвездном пространстве. В данной статье рассматриваются различия между типами манометров и манометров, используемых для их измерения.

Абсолютное давление (P _a ) или (P _abs ): Абсолютное давление (рисунок 1 обозначен A) измеряет давление выше абсолютного нулевого давления (рисунок 1 обозначен E).
Дифференциал ( _dp ): Дифференциальное давление – это разница между двумя разными измерениями давления.
Манометр (P _g ) или (манометр P ): Манометр (рис. 1, обозначенный B) измеряет давление выше атмосферного (рис. 1, обозначенный D).
Вакуум (P _vac ): Вакуумное давление (рисунок 1 обозначен C) измеряет давление ниже атмосферного давления.
Атмосферное давление (P _атм): Давление на земную поверхность.

1) Абсолютное давление

Поскольку в качестве эталона для абсолютного давления используется абсолютное нулевое давление, оно не может иметь отрицательное значение. Абсолютное давление представляет собой сумму манометрического давления и атмосферного давления.

Манометр абсолютного давления

Манометр абсолютного давления применим для промышленных вакуумных насосов. Манометр абсолютного давления имеет диафрагму, одна сторона которой соприкасается со средой под давлением, а другая — с вакуумом. Следовательно, атмосферное давление не влияет на деформацию диафрагмы.

2) Перепад давления

Рис. 2: Перепад давления представляет собой показание высокого давления (A) минус показание низкого давления (B). Результатом на манометре является разница между двумя давлениями (C).

Дифференциальное давление — это разница между двумя приложенными давлениями. Большинство показаний давления технически являются дифференциальными, поскольку давление измеряется относительно атмосферного давления или абсолютного вакуума.

Манометр дифференциального давления

Манометр дифференциального давления имеет два порта; один порт соединяется с высоким давлением в системе, а другой соединяется с низким давлением. Манометр дифференциального давления одновременно измеряет оба давления и отображает разницу между ними. Обычно дифференциальный манометр используется для измерения перепада давления на компоненте системы, таком как клапан.

3) Манометрическое давление

Манометрическое давление измеряет разницу между системой при окружающем атмосферном давлении. Манометрическое давление может быть отрицательным или положительным, в зависимости от того, является ли система вакуумной.

Манометры имеют чувствительный элемент, такой как диафрагма, который отклоняется при изменении давления. Датчикам давления требуется вентиляция, чтобы использовать атмосферное давление в качестве ориентира. Манометрическое давление не зависит от атмосферного давления. Оно не меняется с высотой, так как манометрическое давление всегда учитывает местное атмосферное давление. Поэтому он подходит для измерения давления в трубах и резервуарах, где давление выше атмосферного.

4) Вакуумное давление

Вакуумное давление также известно как отрицательное манометрическое давление. Манометры показывают 0 при атмосферном давлении.

5) Атмосферное давление

Атмосферное или барометрическое давление – это сила, с которой воздух над поверхностью воздействует на эту поверхность. Атмосферное давление снижается с увеличением высоты. На уровне моря атмосферное давление составляет 1,013 бар или 14,7 фунтов на квадратный дюйм.

Манометр атмосферного давления

Современные цифровые манометры атмосферного и барометрического давления обеспечивают высокоточное считывание данных. В этих манометрах используются микроэлектромеханические датчики для измерения давления. Существует два основных типа: емкостные и пьезорезистивные.

Емкостный: Проводящие датчики между диафрагмой создают конденсатор. Когда диафрагма деформируется, емкость изменяется пропорционально давлению.

Пьезорезистивный: Аналогичен емкостному, за исключением того, что проводящий датчик находится непосредственно на диафрагме.

Часто задаваемые вопросы

Может ли манометрическое давление быть отрицательным?

Да, манометрическое давление может быть отрицательным. Манометрическое давление относится к атмосферному давлению. При измерении вакуума манометрическое давление отрицательно.

В чем разница между абсолютным давлением, атмосферным давлением и манометрическим давлением?

Атмосферное давление — это вес воздуха на поверхности, которое изменяется с высотой. Абсолютное давление — это давление выше абсолютного нулевого давления или идеальный вакуум. Манометрическое давление относится к атмосферному давлению.

Манометр Бурдона
мембранный манометр
Принадлежности для манометров
пневматический регулятор давления

Разница между абсолютным давлением и атмосферным давлением

Давление относится к физической силе, действующей на объект на единицу площади. В качестве альтернативы его можно описать как отношение силы к площади (на которую действует сила). F/A — основная формула давления (сила на единицу площади). Паскаль — это единица измерения давления (Па). Примерами давлений являются абсолютное, атмосферное, дифференциальное и избыточное давление. Вы когда-нибудь замечали, что когда вы пьете через соломинку, вы на самом деле высасываете из нее воздух? На самом деле вы оказываете «давление», потягивая напиток.

Что такое абсолютное давление?

Абсолютное давление относится к давлению по отношению к существующему нулевому давлению, то есть давлению в пустом, свободном пространстве. В вакууме нет давления. P _abs — это сокращение от абсолютного давления. Оно равно измеренному давлению плюс атмосферное давление и измеряется барометром. Давление, измеренное пропорционально абсолютному нулевому давлению в вакууме, известно как абсолютное давление. Измерение давления ниже атмосферного давления известно как отрицательное давление или вакуумное давление.

Формула абсолютного давления

P _абс. = P _{атм. 0 — атмосферное давление}
P _{манометр} — отрицательное давление

Что такое атмосферное давление?

Воздух присутствует над уровнем моря, и есть так много слоев, что чем выше вы поднимаетесь, тем большее давление оказывает воздух, а атмосферное давление — это давление, оказываемое воздухом в атмосфере. Единица атм используется для измерения атмосферного давления. Барометр – это прибор, который используется для измерения атмосферного давления. Барометр наполнен ртутью и пропылесосен внутри. Стандартная атмосфера (обозначение: атм) — это единица давления со значением 101 325 Па.

Формула атмосферного давления

P _{атм =} p _gh
Где
g2 p — ускорение силы тяжести3 900 003
h высота ртутного столба

Разница между абсолютным давлением и атмосферным давлением

1. Давление по отношению к нулевому давлению, то есть давлению в пустом, свободном пространстве, называется абсолютным давлением. В вакууме нет давления. Атмосферное давление в этом месте — это сила, действующая на единицу площади вокруг какого-либо места в результате полной высоты воздушного столба атмосферы над ним. 2. Абсолютное давление – это давление, измеренное пропорционально абсолютному нулевому давлению в вакууме. Отрицательное давление, часто известное как вакуумное давление, представляет собой измерение давления ниже атмосферного давления. Гидростатическое давление, создаваемое весом воздуха над точкой измерения, очень близко к атмосферному давлению. Поскольку перекрывающая воздушная масса уменьшается с увеличением высоты, атмосферное давление уменьшается. 3. Обозначается P _абс Обозначается P _атм 90 Абсолютное давление,2 90 9 абс = P _атм + P _датчик Формула для атмосферного давления: P _атм = pgh 5. Это давление определяется в фунтах на квадратный дюйм (фунты на квадратный дюйм). Единицей измерения является ньютон на квадратный метр Нмс ^-1 . 6. Абсолютное давление также называется герметичным давлением. Атмосферное давление также известно как барометрическое давление. 7. На уровне моря это 14,7 фунтов на квадратный дюйм. На уровне моря 1 атм. 8. Например, использование высотомера для определения высоты самолета. Поскольку атмосферное давление меняется с высотой, использование его в качестве эталона не является хорошей идеей, поэтому абсолютное давление используется для обеспечения точности измерений, что имеет решающее значение для безопасности полета. Например, при сжатии груши воздух из трубки и груши выходит в виде пузырьков. Однако на поверхность жидкости действует давление воздуха. Вода внутри трубки движется, когда мы отпускаем лампочку.
Примеры задач
Задача 1. Когда дельфин скользит по воздуху, он подвергается внешнему давлению высотой 0,75 м ртутного столба. Когда дельфин находится на 5 м ниже свободной поверхности воды, абсолютное давление равно?
Раствор:
h= 5 м
P _атм = 0,75 м ртутного столба = P _рт.
P _датчик = Р _вода × g x h
P _{манометр} = 1000 x 9,81 x 5 = 49050 Па
P _абс. = P _{манометр} + P _{атм. 49050 + 100062}
Р _абс = 149112 Па = 149112 Н/м ₂
= 0,149 Н/мм ²
= 0,15 Н/мм ²
2 Проблема: давление 40 кПа. На месте атмосферное давление составляет 100 кПа. Затем измеряется абсолютное давление в камере.
Решение:
Мы знаем, что абсолютное давление = вакуумное давление – атмосферное давление
вакуумное давление = 40 кПа, атмосферное давление = 100 кПа
Проблема 3. Если атмосферное давление эквивалентно 750 мм ртутного столба, каково абсолютное давление в точке на 3 м ниже свободной поверхности жидкости с плотностью 1,53 103 кг/м ³ ? У ртути удельный вес 13,6, а у воды плотность 1000 кг/м 9 . 0256 3 .
Раствор:
ч = 3 м, жидкость = 1,53 x 103 кг/м ²
ч _атм 3 = 750 м рт. ст. 0,9070 мм рт.ст. 002 удельный вес, с _Hg = 13,6, p = 13,6 x 1000 кг/м ²
P _атм. = pgh _{атм. 7}
P _абс = P _атм + P _{манометр}
P _{манометр} = (pgh) _{жидкость} = 1,53 x 10ªx 9,81 x 3 = 45027,9 Н/м2
P _абс. = P _атм.
Проблема 4: Если воздух в цилиндре имеет манометрическое давление 250 кПа, абсолютное давление равно?
Решение:
P _г = 250 кПа
P _абс = P _г + 3 P _{атм 900 900 0009 абс} = 250 + 101,3
P _абс. = 351,3 кПа = 350 кПа.
Задача 5. В закрытом сосуде объем и температура воздуха (предполагаемого идеальным газом) равны 2,87 м ³ и 300 К соответственно.