Закон Бойля-Мариотта

Давление и единицы его измерения

Давление представляет собой физическую величину, измеряемую отношением силы, действующей на поверхности взаимодействия между телами, к площади этой поверхности (если по данной поверхности сила распределена равномерно), или в виде формулы: P=F/S.

Единицей измерения давления в системе СИ является Паскаль (Па). 1 Паскаль равен давлению, которое оказывает сила в 1 Ньютон (Н) на площадь в 1 м², или 1 кг^.м/(с^2.м²) = 1 кг/(м^.с²)

Для работы пневматических устройств важным свойством газа как рабочего тела является то, что газ передает производимое на него поверхностными силами внешнее давление по всем направлениям без изменения (закон Паскаля).

Единица давления Паскаль применяется, главным образом, в научной среде. В технике и быту принятыми единицами измерения являются физическая атмосфера (АТМ), техническая атмосфера (АТ) и миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.)

Физическая атмосфера (АТМ) — единица измерения давления, равная нормальному атмосферному давлению на высоте уровня моря, т.е. давлению, уравновешиваемому столбом ртути высотой 760 мм при температуре 0°С, плотности ртути 13595,1 кг/м³ и нормальном ускорении свободного падения 9,80665 м/сек². Иногда физическую атмосферу называют также нормальной атмосферой. Причиной атмосферного давления является гидростатическое давление воздуха на поверхность Земли и все находящиеся на ней предметы, создаваемое притяжением атмосферы к Земле. Численно атмосферное давление равно отношению веса столба воздуха над предметом к вертикальной проекции площади этого предмета. 1 АТМ =1,033 кгс/см². Следует помнить, что 1 килограмм-сила (кгс) равен приблизительно 9,81 Н, таким образом нормальное атмосферное давление 101325 Па равно 1,0332 кгс/см².

Техническая атмосфера (АТ) — физическая величина, относящаяся к системе единиц измерений МКГСС и равна давлению, производимому силой в 1 кгс, равномерно распределенной по плоской поверхности площадью в 1см².

Для справки приведем соотношения между различными единицами давления:

1 атм = 1,033 кгс/см² = 760 мм рт. ст. = 101325 Па

1 ат = 1 кгс/см² = 735,66 мм рт.ст. = 98066 Па

В инженерной пневматике наиболее распространенной единицей измерения давления является именно техническая атмосфера.

Параметры вещества в любом состоянии связаны друг с другом уравнением состояния, вид которых в большинстве случаев неизвестен. Лишь для газов, частицы которых достаточно далеки друг от друга и почти не взаимодействуют, такое уравнение известно сравнительно точно.

Рассмотрим газ, находящийся в некотором замкнутом объеме, т.е. параметры которого (температура, давление, плотность) одинаковы по всему объему и неизменны. Такая система называется равновесной. Если медленно уменьшать объем системы, поддерживая при этом постоянной ее температуру, можно увидеть, что давление газа в системе растет, причем если обозначить первоначальные значения давления и объема как P₀ и V₀, а конечные — как P₁ и V₁, то можно сделать вывод, что произведение давления и объема газа есть постоянная величина для любой точки процесса. То есть P₀V₀ = P₁V₁ = const при T=const. Это соотношение носит название закона Бойля-Мариотта и формулируется так: произведение объема данной массы газа на его давление есть величина постоянная при постоянной температуре.

Процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Реальный процесс сжатия газа, например, в компрессоре, не является изотермическим — уменьшение объема и увеличение давления сопровождается ростом температуры. Однако, если сжатый газ охладить до температуры, которую он имел до сжатия, можно будет увидеть, что для начальных и конечных значений объема и давления закона Бойля-Мариотта соблюдается.