Общие понятия о давлении

Датчики давления

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

В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90 жидкость просто будет соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности А [2]:

P=dF\dA (5.1)

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

dp=-wdh,

где w- удельный вес среды, dh- изменение высоты, а dp- соответствующее ему изменение давления

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

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

P=2KEpC²\9V=NRT (5.3)

где KE- кинетическая энергия, V-объем, C²- среднее значение квадрата скоростей молекул, p- плотность, N- число молекул в единице объема, R- универсальная газовая постоянная, T- абсолютная температура.

В уравнении (5.3) предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0 и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1,3кг\м³, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм- его плотность в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0 и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг\м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм – плотность равна 1002 кг\м³, а при температуре 100 С и давлении 1 атм- плотность равна 958 кг\м³ .

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