Давление воздуха как определить

Общая формула давления (физика 7-го класса)

Данным термином именуется важная термодинамическая величина, которая выражается в соотношении перпендикулярно оказываемой силы давления на площадь поверхности, на которую она воздействует. Это явление не зависит от размера системы, в которой действует, поэтому относится к интенсивным величинам.

В состоянии равновесия, по закону Паскаля, давление одинаково для всех точек системы.

В физике и химии оное обозначается с помощью буквы «Р», что является сокращением от латинского названия термина – pressūra.

Если речь идет об осмотическом давлении жидкости (равновесие между давлением внутри и снаружи клетки), используется буква «П».

Из определения данной физической величины можно определить способ ее нахождения. Выглядит он таким образом, как на фото ниже.

В нем F – это сила, а S – площадь. Иными словами, формула нахождения давления – это его сила, разделенная на площадь поверхности, на которую оно воздействует.

Также она может быть записана так: Р = mg / S или Р = pVg / S. Таким образом, эта физическая величина оказывается связанной с другими термодинамическими переменными: объемом и массой.

Для давления действует следующий принцип: чем меньше пространство, на которое влияет сила – тем большее количество давящей силы на него приходится. Если, же площадь увеличивается (при той же силе) – искомая величина уменьшается.

Разные агрегатные состояния веществ, предусматривают наличие у них отличных друг от друга свойств. Исходя из этого, способы определения Р в них тоже будут другими.

К примеру, формула давления воды (гидростатического) выглядит вот так: Р = pgh. Также она применима и к газам. При этом ее нельзя использовать для вычисления атмосферного давления, из-за разности высот и плотностей воздуха.

В данной формуле р – плотность, g – ускорение свободного падения, а h – высота. Исходя из этого, чем глубже погружается предмет или объект, тем выше оказываемое на него давление внутри жидкости (газа).

Рассматриваемый вариант является адаптацией классической примера Р = F / S.

Если вспомнить, что сила равна производной массы на скорость свободного падения (F= mg), а масса жидкости – это производная объема на плотность (m = pV), то формулу давление можно записать как P = pVg / S. При этом объем – это площад, умноженная на высоту (V = Sh).

Если вставить эти данные, получится, что площадь в числителе и знаменателе можно сократить и на выходе – вышеупомянутая формула: Р = pgh.

Рассматривая давление в жидкостях, стоит помнить, что, в отличие от твердых тел, в них часто возможно искривление поверхностного слоя. А это, в свою очередь, способствует образованию дополнительного давления.

Для подобных ситуаций применяется несколько другая формула давления: Р = Р0 2QH. В данном случае Р0 – давление не искривленного слоя, а Q – поверхность натяжения жидкости. Н – это средняя кривизна поверхности, которую определяют по Закону Лапласа: Н = ½ (1/R1 1/R2). Составляющие R1 и R2 – это радиусы главной кривизны.

Хотя способ Р = pgh применим как для жидкостей, так и для газов, давление в последних лучше вычислять несколько другим путем.

Дело в том, что в природе, как правило, не очень часто встречаются абсолютно чистые вещества, ведь в ней преобладают смеси. И это касается не только жидкостей, но и газов. А как известно, каждый из таких компонентов осуществляет разное давление, называемое парциальным.

Определить его довольно просто. Оно равно сумме давления каждого компонента рассматриваемой смеси (идеальный газ).

Из этого следует, что формула парциального давления выглядит таким образом: Р = Р1 Р2 Р3… и так далее, согласно количеству составляющих компонентов.

Нередки случаи, когда необходимо определить давление воздуха. Однако некоторые по ошибке проводят вычисления только с кислородом по схеме Р = pgh. Вот только воздух – это смесь из разных газов. В нем встречаются азот, аргон, кислород и другие вещества. Исходя из сложившейся ситуации, формула давления воздуха – это сумма давлений всех его составляющих. А значит, следует приметь вышеупомянутую Р = Р1 Р2 Р3…

Единицы давления

Согласно стандартам Международной системы СИ, рассматриваемое физическое явление измеряется в паскалях (кириллицей – Па, латиницей – Ра).

Исходя из формулы давления получается, что один Па равен одному Н (ньютон – единица измерения силы) разделенному на один квадратный метр (единица измерения площади).

Однако на практике применять паскали довольно сложно, поскольку эта единица очень мала. В связи с этим, помимо стандартов системы СИ, данная величина может измеряться по-другому.

Ниже приведены наиболее известные ее аналоги. Большинство из них широко используется на просторах бывшего СССР.

• Бары. Один бар равен 105 Па.
• Торры, или миллиметры ртутного столба. Приблизительно один торр соответствует 133, 3223684 Па.
• Миллиметры водяного столба.
• Метры водяного столба.
• Технические атмосферы.
• Физические атмосферы. Одна атм равна 101 325 Па и 1,033233 ат.
• Килограмм-силы на квадратный сантиметр. Также выделяются тонна-сила и грамм-сила. Помимо этого, есть аналог фунт-сила на квадратный дюйм.

Наиболее распространенные приборы для измерения давления

Мы часто забываем о том, что воздух имеет вес. У поверхности Земли плотность воздуха составляет 1,29 кг/м3. Еще Галилей доказал, что воздух имеет вес. А его ученик, Эванджелиста Торричелли, смог доказать, что воздух оказывает влияние на все тела, которые расположены на земной поверхности. Это давление стали называть атмосферным.

По формуле расчета давления столба жидкости рассчитать атмосферное давление нельзя. Ведь для этого необходимо знать высоту столба жидкости и плотность. Однако у атмосферы не существует четкой границы, а с ростом высоты уменьшается плотность атмосферного воздуха. Поэтому Эванджелиста Торричелли предложил иной метод для определения и нахождения атмосферного давления.

Он взял стеклянную трубку длиной около метра, которая с одного конца была запаяна, налил в нее ртуть и опустил открытой частью в чашу с ртутью. Немного ртути вылилось в чашу, но основная часть осталась в трубке. Каждый день количество ртути в трубе незначительно колебалось. Давление ртути на определенном уровне создается при помощи веса столба ртути, поскольку в верхней части трубки воздуха над ртутью нет. Там расположен вакуум, который получил название «торричеллиева пустота».

Рисунок 1. Измерение атмосферного давления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Для измерения атмосферного давления используются такие виды приборов:

• станционный барометр чашечный ртутный СР-А (для диапазона 810-1070 гПа, что характерен для равнин) или СР-Б (для диапазона 680-1070 гПа, который наблюдается на высокогорных станциях);
• барометр-анероид БАММ-1;
• барограф метеорологический М-22А.

Наиболее точными и часто используемыми являются ртутные барометры, которые применяются для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях. Они располагаются в помещениях в специально оборудованных шкафах. Доступ к ним строго ограничен в целях техники безопасности: с ними могут работать только специально подготовленные специалисты и наблюдатели.

Более распространенными являются барометры-анероиды, которые применяются для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях и на географических стационарах для маршрутных исследований. Зачастую они применяются для барометрического нивелирования.

Барограф М-22А чаще всего используется для фиксации и непрерывной регистрации каких-либо изменений атмосферного давления. Они могут быть двух типов:

• для того чтобы зарегистрировать суточное изменение давления, применяется М-22АС;
• для того чтобы зарегистрировать изменение давления в течение 7 дней, применяется М-22АН.

Рассмотрим для начала чашечный ртутный барометр. Данный прибор состоит из стеклянной калиброванной трубки, которая заполнена ртутью. Ее верхний конец запаян, а нижний погружается в чашу с ртутью. Чашка ртутного барометра состоит из трех частей, которые соединены резьбой. Средняя чаша внутри имеет диафрагму со специальными отверстиями. Благодаря диафрагме затрудняется колебание ртути в чаше, предотвращая тем самым попадание воздуха.

В верхней части чашечного ртутного барометра есть отверстие, сквозь которое чаша сообщается с воздухом. В некоторых случая отверстие закрывается винтом. В верхней части трубки воздуха нет, поэтому под влиянием атмосферного давления столбик ртути поднимается в колбе до определенной высоты на поверхность ртути в чаше.

Масса столба ртути приравнивается к величине атмосферного давления.

Следующим прибором является барометр. Принцип его устройства заключается в следующем: стеклянная трубка защищается металлической оправой, на которую наносится шкала измерения в паскалях или миллибарах. Верхняя часть оправы имеет продольный прорез для того, чтобы наблюдать за положением ртутного столбика. Для максимально точного отчета мениска ртути располагается кольцо с нониусом, которое перемещается вдоль шкалы при помощи винтика.

От загрязнения она предохраняется защитным кожухом. В средней части барометра вмонтирован термометр для того, чтобы учитывать влияние температуры окружающей среды. По его показаниям вводится температурная поправка.

С целью исключения искажений показаний ртутного барометра вводится ряд поправок:

• температурная;
• инструментальная;
• поправки на ускорение силы тяжести в зависимости от высоты над уровнем моря и широты места.

Барометр-анероид БАММ-1 используется для замеров атмосферного давления в приземных условиях. Его чувствительным элементом является блок, который состоит из трех соединенных анероидных коробок. Принцип устройства барометра-анероида основывается на деформации мембранных коробок под действием атмосферного давления и трансформацией линейных перемещений мембран при помощи передаточного механизма в угловые перемещения стрелы.

В качестве приемника выступает металлическая анероидная коробка, которая оснащена гофрированным дном и крышкой, воздух из них полностью выкачивается. Пружина оттягивает крышку коробки и предохраняет ее от сплющивания воздушным давлением.

Рисунок 2. Подтверждение существования атмосферного давления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Несмотря на то что высчитать рассматриваемую термодинамическую величину по вышеупомянутым формулам не сложно, проводить вычисление иногда попросту нет времени. Ведь нужно всегда учитывать многочисленные нюансы. Поэтому для удобства за несколько столетий был разработан ряд приборов, делающих это вместо людей.

Фактически почти все аппараты такого рода являются разновидностями манометра (помогает определять давление в газах и жидкостях). При этом они отличаются по конструкции, точности и сфере применения.

• Атмосферное давление измеряется с помощью манометра, именуемого барометром. Если необходимо определить разряжение (то есть давление ниже атмосферного) – применяются другая его разновидность, вакуумметр.
• Для того чтобы узнать артериальное давление у человека, в ход идет сфигмоманометр. Большинству он более известен под именем неинвазивного тонометра. Таких аппаратов существуют немало разновидностей: от ртутных механических до полностью автоматических цифровых. Их точность зависит от материалов, из которых они изготавливаются и места измерения.
• Перепады давления в окружающей среде (по-английски – pressure drop) определяются с помощью дифференциальных манометров или дифнамометров (не путать с динамометрами).

Абсолютное

Так называется полное давление, под которым находится вещество или объект, без учета влияния других газообразных составляющих атмосферы.

Измеряется оно в паскалях и являет собою сумму избыточного и атмосферного давлений. Также он является разностью барометрического и вакуумметрического видов.

Вычисляется оно по формуле Р = Р2 Р3 или Р = Р2 – Р4.

За начало отсчета для абсолютного давления в условиях планеты Земля, берется давление внутри емкости, из которой удален воздух (то есть классический вакуум).

Только такой вид давления используется в большинстве термодинамических формул.

Барометрическое

Этим термином именуется давление атмосферы (гравитации) на все предметы и объекты, находящие в ней, включая непосредственно поверхность Земли. Большинству оно также известно под именем атмосферного.

Его причисляют к термодинамическим параметрам, а его величина меняется относительно места и времени измерения, а также погодных условий и нахождения над/ниже уровня моря .

Величина барометрического давления равна модулю силы атмосферы на площади единицу по нормали к ней.

В стабильной атмосфере величина данного физического явления равна весу столпа воздуха на основание с площадью, равной единице.

Норма барометрического давления – 101 325 Па (760 мм рт. ст. при 0 градусов Цельсия). При этом чем выше объект оказывается от поверхности Земли, тем более низким становится давление на него воздуха. Через каждый 8 км оно снижается на 100 Па.

Благодаря этому свойству в горах вода в чайниках закивает намного быстрее, чем дома на плите. Дело в том, что давление влияет на температуру кипения: с его снижением последняя уменьшается. И наоборот. На этом свойстве построена работа таких кухонных приборов , как скороварка и автоклав. Повышение давления внутри их способствуют формированию в посудинах более высоких температур, нежели в обычных кастрюлях на плите.

Используется для вычисления атмосферного давления формула барометрической высоты. Выглядит она таким образом, как на фото ниже.

Р – это искомая величина на высоте, Р0 – плотность воздуха возле поверхности, g – свободного падения ускорение, h – высота над Землей, м – молярная масса газа, т – температура системы, r – универсальная газовая постоянная 8,3144598 Дж⁄(моль х К), а е – это число Эйклера, равное 2.71828.

Часто в представленной выше формуле давления атмосферного вместо R используется К – постоянная Больцмана. Через ее произведение на число Авогадро нередко выражается универсальная газовая постоянная. Она более удобна для расчетов, когда число частиц задано в молях.

При проведении вычислений всегда стоит брать во внимание возможность изменения температуры воздуха из-за смены метеорологической ситуации или при наборе высоты над уровнем моря, а также географическую широту.

---