Давление физическое определение и виды¶

Давление — физическая величина, численно равная силе, действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности. В Международной системе единиц (СИ) давление измеряется в паскалях (Па); один паскаль соответствует давлению, создаваемому силой в один ньютон, равномерно распределённой по площади в один квадратный метр.

¶Физическая сущность и основные формулы

В механике сплошных сред давление определяется как предел отношения нормальной силы к площади, на которую эта сила действует, при стремлении площади к нулю. Для твёрдых тел, находящихся в состоянии покоя, давление рассчитывается по формуле \( p = F/S \), где \( F \) — сила, действующая перпендикулярно поверхности, \( S \) — площадь поверхности.

Для жидкостей и газов давление имеет особенность: согласно закону Паскаля, внешнее давление, приложенное к жидкости или газу, передаётся в любую точку среды без изменения. Гидростатическое давление на глубине \( h \) определяется формулой \( p = \rho gh \), где \( \rho \) — плотность жидкости, \( g \) — ускорение свободного падения.

¶Единицы измерения

Помимо паскаля, в различных областях науки и техники применяются внесистемные единицы давления:

• Бар — равен 100 000 Па (100 кПа), широко используется в метеорологии и технике.
• Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) — историческая единица, применяемая в медицине для измерения артериального давления; 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па.
• Атмосфера техническая (ат) — равна 98 066,5 Па; атмосфера физическая (атм) — 101 325 Па.
• Фунт на квадратный дюйм (psi) — используется в англоязычных странах, преимущественно в шинной и авиационной промышленности.

Соотношение между основными единицами: 1 атм = 1,01325 бар = 760 мм рт. ст. = 14,696 psi.

¶Атмосферное давление

Атмосферное давление — давление, оказываемое воздушной оболочкой Земли на находящиеся в ней объекты. На уровне моря при стандартных условиях оно составляет примерно 101,3 кПа. Атмосферное давление убывает с высотой: в нижних слоях тропосферы оно падает в среднем на 1 мм рт. ст. на каждые 11 метров подъёма. Измерение атмосферного давления производится барометрами — ртутными, анероидными или электронными. Изменения атмосферного давления играют ключевую роль в формировании погоды: области низкого давления (циклоны) обычно сопровождаются осадками и ветром, области высокого давления (антициклоны) — ясной и сухой погодой.

¶Давление в жидкостях и газах

Для несжимаемых жидкостей давление зависит только от глубины и плотности, но не от формы сосуда. Это свойство лежит в основе работы гидравлических прессов, тормозных систем и гидростатического парадокса. В газах давление создаётся ударами молекул о стенки сосуда; согласно молекулярно-кинетической теории, давление идеального газа пропорционально концентрации молекул и их средней кинетической энергии. Для идеального газа справедливо уравнение Менделеева — Клапейрона: \( pV = nRT \), связывающее давление, объём, количество вещества и температуру.

¶Виды давления в технике

В инженерной практике различают несколько видов давления:

• Абсолютное давление — полное давление, отсчитываемое от абсолютного нуля (полного вакуума).
• Избыточное (манометрическое) давление — разность между абсолютным давлением и атмосферным; именно его показывают большинство технических манометров.
• Вакуумметрическое давление — разрежение, то есть разность между атмосферным и абсолютным давлением, когда последнее ниже атмосферного.

Эти различия принципиальны при расчёте прочности сосудов, трубопроводов и герметичных конструкций.

¶Применение в природе и технике

Давление — один из важнейших параметров множества природных и технологических процессов:

• В метеорологии — для прогнозирования погоды и изучения атмосферной циркуляции.
• В медицине — измерение артериального (кровяного) давления является базовым диагностическим показателем; внутриглазное и внутричерепное давление также контролируются в клинической практике.
• В технике — паровые котлы, гидравлические системы, пневматические инструменты, компрессоры и насосы работают за счёт создания и использования перепадов давления.
• В пищевой промышленности — автоклавирование и пастеризация основаны на обработке продуктов под повышенным давлением.
• В геологии — литостатическое давление определяет условия метаморфизма горных пород на глубине.
• В океанологии — на глубине 10 метров давление воды возрастает примерно на одну атмосферу; глубоководные аппараты рассчитываются на давление в сотни атмосфер.

¶Давление света и осмотическое давление

В физике существуют и иные трактовки давления. Давление света — механическое давление, оказываемое электромагнитным излучением на поверхность; его существование было предсказано Максвеллом и экспериментально подтверждено Лебедевым в 1899 году. Осмотическое давление — избыточное давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить проникновение растворителя через полупроницаемую мембрану; оно описывается законом Вант-Гоффа и играет центральную роль в биологии клетки.

¶Критическое давление и фазовые переходы

Для каждого вещества существует критическая точка — температура и давление, выше которых невозможно сжижение газа. Критическое давление — давление насыщенного пара вещества при критической температуре. Выше критической точки вещество находится в сверхкритическом состоянии, сочетающем свойства жидкости и газа; сверхкритические флюиды применяются в экстракции и химической технологии.

¶Измерение давления

Приборы для измерения давления подразделяются на жидкостные (манометры с U-образной трубкой), деформационные (трубчатые пружины Бурдона, мембранные и сильфонные манометры), поршневые (грузопоршневые манометры, используемые как эталонные) и электрические (тензорезистивные, ёмкостные, пьезоэлектрические датчики). Выбор метода измерения определяется диапазоном давлений, требуемой точностью и условиями эксплуатации.