Воспроизведение единицы давления

«Природа боится пустоты» — такова была одна из догм науки в Средние века, объясняющая поднятие воды в насосе. Эту догму приписывали Аристотелю, который отрицал наличие пустоты в при­роде. Эта посылка предполагала, что вода за поршнем в трубе, на­пример в искусственных фонтанах, может подняться на любую вы­соту. Однако на практике это не подтвердилось. При строительстве фонтана во Флоренции во дворце Казимо II Медичи вода по трубе не поднималась на высоту более 34 футов (10,3 м). Галилео Галилей, придерживавшийся общей концепции, «мудро» объяснил данный факт тем, что «боязнь пустоты» не превышает 34 футов. Однако он попросил своих учеников Э. Торричелли и В. Вивиани эксперимен­тально исследовать это явление.

Проводя эксперимент (1643), Э. Торричелли и В. Вивиани за­менили воду ртутью, которая в 13,6 раза тяжелее и, соответствен­но, должна была подняться до уровня во столько же раз ниже воды. Опыт подтвердил предположение, и Торричелли доказал, что при­рода вовсе не боится пустоты и «терпит» ее, например над уровнем ртути в трубке (торричеллиева пустота). Но Торричелли не смог объяснить это явления. Он не доказал, что единственной причиной удержания столбика ртути является существование атмосферного давления. Позднее, в 1654 г., немецкий физик О. фон Герике про­демонстрировал опыт с магдебургскими полушариями. Из них от­качали воздух, но разъединить их не удалось даже при растягивании упряжкой лошадей, что подтвердило присутствие атмосферного дав­ления воздуха.

Блез Паскаль продолжил опыты Торричелли, подтвердил его выводы (1647) и пошел дальше — показал, что столбик ртути пони­жается с поднятием его на высоту. В 1648 г. Б. Паскаль объявил: «Природа не имеет никакого страха перед пустотой». Все легко объясняется давлением воздуха. Интересно, что живший в те време­на Р. Декарт предъявил претензии относительно приоритета этого результата. Однако ученые и исследователи того времени отвергли все его притязания. Они показали, что оба ученых говорили о разных пустотах. Декарт имел в виду абсолютно пустое пространство, где нет никакой субстанции, и отвергал его. Паскаль же имел дело с услов­ной пустотой, вызываемой давлением воздуха. Он даже вычислил об­щий вес атмосферного воздуха, получил цифру 8,5 трлн французских фунтов, что приближается к современным расчетам. К середине XVII в. появились многочисленные конструкции манометров, вакуумметров, насосов, основанные на идее, заложенной Паскалем.

Развитие промышленности в XIX в. привело к необходимости выбора и точного воспроизведения единицы давления. Быстро рос парк средств измерения давления. Россия, например, своих мано­метров в те времена не производила и довольствовалась загранич­ными. Поэтому Д.И. Менделеев в Главной палате мер и весов созда­ет манометрическое отделение (лабораторию).

В качестве исходного образцового средства измерения вначале пользовались грузопоршневым манометром М. Рухгольца, позво­лявшим воспроизводить значения избыточного давления от 1 до 15 кгс/см² (0,1 — 1,5 МПа). Но нужно было создать свой русский на­циональный эталон единицы давления. К 1907 г. под руководством Д.И. Менделеева был изготовлен двухжидкостный ртутно-водяной многоколенный манометр. Он состоял из 25 пар стеклянных труб высотой около 4 м, наполненных в нижней части ртутью, а в верх­ней — водой. Давление создавалось гидронасосом. Отсчеты уровней ртути производили два наблюдателя одновременно: один наверху с помоста, другой — с пола. Погрешность отсчета не превышала 0,03%. Этот эталон использовался в России до середины 1920-х годов.

В последующие годы был создан новый первичный эталон — U-образный ртутный манометр с суммарной погрешностью 0,005— 0,01%. В 1950-е годы создан новый первичный эталон, состоящий из пяти грузопоршневых пар, который прослужил до 1979 г. В кон­це 1970-х годов были проведены международные сличения нацио­нальных эталонов единиц давления, которые показали, что относи­тельные расхождения в показаниях достигают 5-Ю^-5. Видимо, это и есть тот предел точности, который может обеспечить грузопорш- невой эталон.

В настоящее время эталон Паскаля представляет собой набор грузопоршневых манометров, состоящий из трех групп приборов (табл. 8.2).

Таблица 8.2 Технические данные манометров эталона Паскаля Группа Диапазон измерения Номинальное значение приведенной давления, МПа площади поршня, см^2   0,05 - 0,5     0,3-3     1 - 10 1,5

В комплект также входят набор мер массы класса точности 2, набор специальных гирь и аппаратура для создания и поддержания гидростатического давления. Точность воспроизведения давления зависит от погрешности измерения геометрических параметров ци­линдров и поршней.

Прецизионный ртутный манометр позволяет воспроизводить значения давлений с погрешностью не более 3 • Ю^-6. В современных аэродинамических, физических, термодинамических, космических и других исследованиях такой уровень точности может оказаться и недостаточным. Поэтому повышение точности воспроизведения единицы давления — насущная необходимость.

В XIX—XX вв. для измерения давления применялось большое число системных и внесистемных единиц.

Системные единицы. СГС — килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м²); МКГСС — миллиметры водяного столба (мм вод. ст.).

Внесистемные единицы: килограмм-сила на квадратный санти­метр (кгс/см²) или техническая атмосфера (ат); бар; миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) или торр; физическая атмосфера (атм = = 760 мм рт. ст.); дина на квадратный сантиметр (дин/см²).

В единицах СИ давление принято измерять в паскалях (Па). Паскаль — это давление, которое создает нормальная к поверхнос­ти сила в 1 н, равномерно распределенная по поверхности 1 м².

Соотношение между паскалем и другими наиболее распростра­ненными единицами давления: 1 Па = 1,019716 • 10~⁵ кгс/см² (ат) = = Ю-⁵ бар = 7,500637 • 10"³ мм рт. ст. (торр) = 9,86926 ■ 10"⁶ атм = = 0,1019716 кгс/м² (мм вод. ст.) = 10 дин/см².

Другие соотношения приведены в приложении V (см. табл. П.У.1).

Для измерения давления и разностей давлений, близких к ат­мосферному (от 0,01 до 10-кратных нормальному атмосферному давлению) целесообразно использовать килопаскали: 1 кПа = = 10³ Па. Если же давление превышает атмосферное более чем в 10 раз, то мегапаскали: 1 МПа = 10⁶ Па. Атмосферному давлению 750 мм рт. ст. соответствует 750-133,332 = 10⁵ Па= 100 кПа (погреш­ность не более 0,01%) Давление 10 атм ~ 1 МПа (погрешность не более 1,4%).

Малые абсолютные давления измеряются в паскалях и его доль­ных частях — 10^-и Па. Малые разности давления измеряются мик­романометрами, а измерение переменных давлений (например, в двигателях внутреннего сгорания, энергетических агрегатах) требует высокоточной аппаратуры в частотном диапазоне от 1 Гц до 100 кГц с амплитудой (импульсом) до 10³—10¹⁰ Па.

Если в технике использование паскаля' особых затруднений не вызывает, то в быту с введением СИ возникли проблемы. Дело в том, что единица измерений давления в СИ — паскаль — очень мала. При­вычная физическая атмосфера равна 1,01325-10⁵ Па; техническая атмосфера — 8,81-Ю⁴ Па. Еще сложнее получилось с атмосферным давлением, за изменениями которого постоянно следят многие не вполне здоровые люди. Один миллиметр ртутного столба (торр) ра­вен 133,3 Па. Нормальное для Москвы давление (745 мм рт.ст.) те­перь оказывается равным 99 308 Па, или 993 гектопаскалям. Об­щеизвестно, что попытка прямо заменить торры гектопаскалями по­терпела неудачу. Да иначе и быть не могло: ведь все бытовые барометры (а их десятки миллионов) проградуированы только в тор- рах (мм рт. ст.). Сейчас в сводках метеослужб вновь вернулись к мил­лиметрам ртутного столба.