Давление газов и жидкостей

В этом разделе будет рассмотрен вопрос о том, что же такое давление газов и жидкостей.

На сегодняшний день классическая физика отвечает на этот вопрос так :

Если заключить газ в сосуд, то молекулы (атомы) газа будут оказывать давление на стенки сосуда. И это абсолютно верно.

Причем величина этого давления может быть определена по формуле :

P = F/S

где :

P - Давление газа на единицу поверхности (кг/м2)

F - Суммарная сила с которой атомы газа ударяются о стенки сосуда (кг)

S - Площадь поверхности (м2)

 

С этим все ясно и понятно. Однако сам процесс определения (измерения) давления газов и жидкостей классической физикой производится неверно!

 

Поэтому разберемся с процедурой измерения давления газов подробно:

 

Как известно давление газа определяется барометром.

Рассмотрим подробно принцип действия барометра анероида.

 

Для простоты рассуждений предположим, что пластина B закреплена неподвижно, и гофрированная часть барометра не оказывает механического сопротивления перемещению мембраны А.

Атомы газа ( воздуха ) ударяясь о пластину A производят на нее давление, суммарная сила которого равна Pа .

При этом диафрагма барометра сжимается или растягивается в зависимости от величины давления Pа и мембрана А перемещается влево или вправо от нулевого положения. Тоесть о величине давления газа мы судим по расстоянию X между пластиной В и мембраной А.

Это к сожалению не верно, и вот почему.

Внутри барометра тоже находится газ. Естественно, что атомы этого газа тоже будут давить на мембрану А, только с противоположной стороны.

 

Эту силу назовем внутренним давлением газа барометра Pвн .

Таким образом величина X, на которую перемещается мембрана А, зависит не только от давления Pа , но и от величины давления Pвн.

 

Фактически барометром анероидом мы измеряем не давление Pа, а разницу между давлениями 

Pа и Pвн.

Поэтому утверждать, как это делает классическая физика, что величина атмосферного давления Pа пропорциональна величине перемещения мембраны А нельзя. Это  абсолютно неверно.

 

Для ясности приведу несколько примеров :

 

Пример 1.

Предположим, что давление Pа = Pвн = 10кг/м2

При этом мембрана А не будет перемещаться относительно пластины В. Измеряющий сделает вывод, что давление газа Pа действующее на мембрану А равно нулю. На самом деле давление Pа = 10кг/м2.

 

Пример 2.

В этом примере рассмотрим 2 случая.

Первый, когда Pа = 10кг/м2, а Pвн = 5кг/м2

 

Второй, когда Pа = 100кг/м2, а Pвн = 95кг/м2

 

 В обоих случаях отклонение мембраны А от пластины В будет одинаковым, так как разность в давлениях в первом и втором случаях равна 5кг/м2.

Измеряющий сделает вывод, что давление газа Pа действующее на мембрану А в обоих случаях одинаково.

На самом деле в первом случае давление Pа = 10кг/м2, а во втором  Pа = 100кг/м2.

Вывод:

Барометр анероид показывает не величину давления атмосферы, на поверхность его мембраны, а величину разности давлений атмосферы и внутреннего давления в колбе прибора.

Или другими словами, можно сказать, что существующие приборы для измерения давления вводят человечество в заблуждение. Истинную величину давления они не показывают.

Они показывают разность давления атмосферы снаружи и внутреннего давления газа в колбе.

 

Возникает вопрос. Какова же в действительности сила давления атмосферы?

И каким прибором ее можно измерить?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим уже известный нам барометр еще раз, внеся в конструкцию прибора некоторые изменения.

На рисунке буквой C обозначен пружинный динамометр, буквой D винтовое натяжное устройство, а буквой E патрубок с краном, для соединения внутренней полости прибора с атмосферой.

Для простоты рассуждений предположим, что пластина B закреплена неподвижно, и гофрированная часть барометра не оказывает механического сопротивления перемещению мембраны А.

Установим прибор в исходное положение.

Для этого откроем кран E. При этом давление внутри колбы и снаружи станут одинаковыми 

(Pа = Pвн).

Установим стрелку динамометра С на ноль, и закроем кран E.

Наш прибор готов к работе.

Если теперь удалить воздух из колбы прибора, то давить на внутреннюю поверхность мембраны будет нечему (Pвн = 0).

Поэтому, откачивая воздух из внутренней полости прибора через патрубок с краном, мы заметим, что мембрана А вплотную приблизится к пластине В.

А динамометр при этом покажет истенное значение  давления атмосферы Pа.

 

Любой здравомыслящий человек сразу догадается, что сила давления атмосферы Pа будет иметь очень большое значение.

Это значение может быть в тысячи раз больше, чем значения, которые мы получаем измеряя давление атмосферы классическим барометром!

 

Но это еще не все. Даже если учесть, что сила давления атмосферы у поверхности Земли во много раз больше, чем 1кг/м2, нужно заметить, что величина этой силы Pа зависит от вида материала на который давит воздух!

 

Истенное значение давления атмосферы можно производить очень просто.

Например, для определения давления атмосферы на сталь , необходимо изготовить из этой стали цилиндрический стержень с проточкой.

Такой стержень изображен на рисунке.

 

Как известно, между атомами стального стержня пустота или вакуум и следовательно внутреннее давление равно нулю.

Если растягивать стержень в разные стороны, то он разорвется по сечению K-K.

Площадь этого сечения (S) можно определить измерением. Силу растяжения (Fр) измерить динамометром.

При этом атмосферное давление действующее на сталь можно определить по известной нам формуле:

 

Pа = Fр/S       (кг/м2)

Физика уже давно знакома с подобным опытом. Он называется испытанием материала на прочность.

Таким образом значение давления атмосферы для любого материала можно найти в справочнике по физике.

 

Выдержку из такой таблицы я и привожу здесь.

 

Материал

Предел прочности при растяжении (кг/мм2)

Сталь

32 - 155

Чугун

14 - 25

Медь

17

Серебро

20

Аллюминий

6 - 8

Золото

10 - 14

Графит

0,5 1,0

Лед (при 00)

0,1

Вода

0,0000042

 

Как видно из таблицы, сила давления атмосферы Pа на еденицу поверхности меди равна 17кг/мм2 или 17*106 кг/м2.

Сила давления атмосферы на аллюминий равна 7*106 кг/м2.  

Сила давления атмосферы на лед равна 0,1*106 кг/м2.  

Сила давления атмосферы на воду равна 4,2 кг/м2.

В классической физике однако принято, что давление атмосферы на уровне земли,  для всех материалов, есть величина постоянная и равна 1кг/см2 или Pa = 0,01*106 кг/м2.

Получается, что для меди значение давления атмосферы занижено в 1700 раз, для аллюминия занижено в 700 раз, для льда занижено в 10 раз для воды завышено в 2380 раз !

 

Рейтинг@Mail.ru