Манометры
«Искусство быть мудрым состоит
в умении знать, на что следует обращать внимание»
У. Джемс
В данной теме познакомимся с манометром.
В прошлых темах разговор шёл о сообщающихся сосудах. Сообщающиеся сосуды – это сосуды, имеющие соединяющую их часть и заполненные покоящейся жидкостью.
Вывели закон сообщающихся сосудов, согласно которому, в открытых сообщающихся сосудах уровень поверхностей однородной жидкости устанавливается на одинаковом уровне (при условии, что давление воздуха над поверхностью жидкости одинаково) и не зависит от формы сосудов.
Было установлено, что газы обладают массой и весом. Кроме того, земная атмосфера также обладает весом вследствие действия на нее притяжения Земли, а, следовательно, производит давление, которое называется атмосферным давлением. Для измерения атмосферного давления существуют приборы, называемые барометрами.
Однако одним измерением атмосферного давления человек ограничится не может. Ведь любые газы имеют вес и, следовательно, способны создавать давления. При этом это давление может быть как больше, так и меньше атмосферного. Так вот, для измерения таких давлений существует прибор, который называется манометр. В переводе с греческого «манос» означаете редкий, неплотный, а «метрео» — измеряю.
Все манометры делятся на два вида — это жидкостный и металлический манометры.
Чаще всего жидкостный манометр используется для измерения разности давлений в сосуде и атмосферного. Он представляет собой U‑образную стеклянную трубку, заполненную какой-либо жидкостью. Согласно закону сообщающихся сосудов, поверхности жидкости в такой трубке устанавливаются на одинаковом уровне, так как на них действует только атмосферное давление.
Чтобы разобраться как работает манометр, соединим одно колено трубки к сосуду с газом, давление которого необходимо измерить, а другое колено оставляют открытым. Если уровень поверхности жидкости в колене, соединенном с сосудом, выше, чем в открытом, значит давление газа в сосуде меньше атмосферного давления на величину давления столба жидкости высотой h.
Если же нагревать этот сосуд с газом, то скорость его молекул возрастет, а значит, они чаще будут сталкиваться со стенками сосуда и тем самым создавать большее давление. Вследствие чего газ будет оказывать большее давление на жидкость в манометре, вытесняя её в открытое колено.
Таким образом, с помощью жидкостного манометра по высоте избыточного столба жидкости мы можем судить об изменении давления.
С помощью жидкостного манометра можно измерять и давление в жидкостях на небольших глубинах. Для примера возьмем небольшую коробочку, одна сторона которой затянута пленкой, и соединим ее с манометром при помощи резиновой трубочки. Будем постепенно погружать нашу коробочку в сосуд с водой. Чем глубже она погружается, тем больше становится разность высот в коленах манометра и, следовательно, тем большее давление производит жидкость на коробочку.
Ранее рассматривалось гидростатическое давление, где говорилось о том, что на одном и том же уровне давление внутри жидкости по всем направлениям неизменно. Проверим это утверждение с помощью жидкостного манометра и коробочки. Для этого установим коробочку на любой глубине внутри жидкости и будем ее поворачивать. И действительно, показания манометра не меняются, что говорит о том, что утверждение было верным.
У жидкостных манометров есть один серьезный недостаток — ими можно измерять давление, отличающееся от атмосферного лишь незначительно. Так, например, если давление газа в сосуде будет больше атмосферного в два раза, то согласно формуле высота столба жидкости в манометре будет определяться как отношение атмосферного давления к произведению плотности жидкости и коэффициента g.
Если в качестве жидкости в манометре использовать воду, то высота ее столба составит более 10 м. Таким образом, прибор получается очень больших размеров.
Можно сказать, что вместо воды можно использовать ртуть. Действительно, при использовании ртути размеры уменьшаются в 13,6 раза, но возникает новая проблема — пары ртути ядовиты.
А если давление газа в несколько раз больше атмосферного? Для измерения высоких давлений применяется металлический манометр. Его основным элементом является полая тонкостенная металлическая трубка, согнутая в дугу. Один конец этой трубки закрыт, а другой присоединяется к сосуду с исследуемым газом.
Закрытый конец трубки через зубчатый механизм соединен со стрелкой, двигающейся относительно шкалы. Чем больше будет давление в трубке, тем больше будет отклонятся стрелка. Ноль на такой шкале соответствует атмосферному давлению. Если стрелка стоит на цифре 4, то давление в сосуде в 5 раз больше атмосферного.
Упражнения.
Задача 1. Определите давление в сосуде, изображенного на рисунке, если в манометре использована ртуть.
Задача 2. Чему равно давление ртути в точках А, Б и В, манометра, представленного на рисунке, если атмосферное давление можно считать нормальным?
Основные выводы:
– Манометр – прибор, используемый для измерения разности давлений.
– Все манометры делятся на два вида — это жидкостный и металлический.
– Жидкостный манометр используется для измерения разности давлений в сосуде и атмосферного.
– Для измерения высоких давлений применяется металлический манометр. Его основным элементом является полая тонкостенная металлическая трубка, согнутая в дугу. Один конец этой трубки закрыт, а другой присоединяется к сосуду с исследуемым газом. Закрытый конец трубки через зубчатый механизм соединен со стрелкой, двигающейся относительно шкалы.
– Ноль на шкале металлического манометра соответствует атмосферному давлению.
