14.4: Kupima Shinikizo

Last updated
Save as PDF

Page ID: 177029

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

Malengo ya kujifunza

Eleza shinikizo la kupima na shinikizo kabisa
Eleza mbinu mbalimbali za kupima shinikizo
Kuelewa kazi ya barometers wazi tube
Eleza kwa undani jinsi manometers na barometers zinavyofanya kazi

Katika sehemu iliyotangulia, tulipata formula ya kuhesabu tofauti katika shinikizo kwa maji katika usawa wa hydrostatic. Kama inageuka, hii ni hesabu muhimu sana. Vipimo vya shinikizo ni muhimu katika maisha ya kila siku na pia katika maombi ya sayansi na uhandisi. Katika sehemu hii, tunazungumzia njia tofauti ambazo shinikizo linaweza kuripotiwa na kupimwa.

Kupima shinikizo dhidi ya Shinikizo kamili

Tuseme kupima shinikizo kwenye tank kamili ya scuba inasoma 3000 psi, ambayo ni takriban 207 anga. Wakati valve inafunguliwa, hewa huanza kutoroka kwa sababu shinikizo ndani ya tangi ni kubwa kuliko shinikizo la anga nje ya tangi. Air inaendelea kutoroka kutoka tangi hadi shinikizo ndani ya tangi inalingana na shinikizo la angahewa nje ya tangi. Katika hatua hii, kupima shinikizo kwenye tank inasoma sifuri, ingawa shinikizo ndani ya tank ni kweli anga 1—sawa na shinikizo la hewa nje ya tangi.

Vipimo vingi vya shinikizo, kama vile kwenye tank ya scuba, vinatengenezwa kusoma sifuri kwenye shinikizo la anga. Masomo ya shinikizo kutoka kwa viwango vile huitwa shinikizo la kupima, ambalo ni shinikizo la jamaa na shinikizo la anga. Wakati shinikizo ndani ya tangi ni kubwa kuliko shinikizo la anga, geji inaripoti thamani nzuri. Vipimo vingine vimeundwa kupima shinikizo hasi. Kwa mfano, majaribio mengi ya fizikia yanapaswa kufanyika katika chumba cha utupu, chumba kikubwa ambacho baadhi ya hewa hupigwa nje. Shinikizo ndani ya chumba cha utupu ni chini ya shinikizo la anga, hivyo kupima shinikizo kwenye chumba husoma thamani hasi. Tofauti na shinikizo la kupima, shinikizo kabisa linashughulikia shinikizo la anga, ambalo linaongeza shinikizo katika maji yoyote ambayo haijafungwa kwenye chombo kikubwa.

Ufafanuzi Shinikizo kamili

Shinikizo kabisa, au shinikizo la jumla, ni jumla ya shinikizo la kupima na shinikizo la anga:

\[p_{abs} = p_{g} + p_{atm} \label{14.11}\]

ambapo p _abs ni shinikizo kabisa, p _g ni shinikizo la kupima, na p _atm ni shinikizo la anga.

Kwa mfano, ikiwa geji ya tairi inasoma 34 psi, basi shinikizo kamili ni 34 psi pamoja na 14.7 psi (p _atm katika psi), au 48.7 psi (sawa na 336 kPa).

Katika hali nyingi, shinikizo kamili katika maji ya maji haliwezi kuwa hasi. Fluids kushinikiza badala ya kuvuta, hivyo shinikizo ndogo kabisa katika maji ni sifuri (shinikizo hasi kabisa ni kuvuta). Hivyo, shinikizo la kupima ndogo zaidi ni p _g = -p _atm (ambayo inafanya p _abs sifuri). Hakuna kikomo cha kinadharia kwa kiasi gani shinikizo la kupima linaweza kuwa kubwa.

Kupima Shinikizo

Vifaa vingi hutumiwa kupima shinikizo, kuanzia viwango vya tairi hadi wachunguzi wa shinikizo la damu. Aina nyingine nyingi za viwango vya shinikizo hutumiwa kwa kawaida kupima shinikizo la maji, kama vile viwango vya shinikizo la mitambo. Sisi kuchunguza baadhi ya haya katika sehemu hii.

Mali yoyote inayobadilika na shinikizo kwa njia inayojulikana inaweza kutumika kujenga kupima shinikizo. Baadhi ya aina za kawaida ni pamoja na viwango vya matatizo, ambayo hutumia mabadiliko katika sura ya nyenzo na shinikizo; viwango vya shinikizo la capacitance, ambayo hutumia mabadiliko katika uwezo wa umeme kutokana na mabadiliko ya sura na shinikizo; viwango vya shinikizo la piezoelectric, ambayo huzalisha tofauti ya voltage katika piezoelectric vifaa chini ya tofauti ya shinikizo kati ya pande mbili; na viwango vya ioni, vinavyopima shinikizo kwa molekuli za ionizing katika vyumba vyenye kuhamishwa. Vipimo tofauti vya shinikizo ni muhimu katika safu tofauti za shinikizo na chini ya hali tofauti za kimwili. Baadhi ya mifano ni inavyoonekana katika Kielelezo$\PageIndex{1}$.

Kielelezo A ni picha ya kupima kutumika kufuatilia shinikizo katika mitungi ya gesi. Kielelezo B ni picha ya kupima tairi. Kielelezo C ni picha ya kupima ionization inayotumiwa kufuatilia shinikizo katika mifumo ya utupu. — Kielelezo$\PageIndex{1}$: (a) Gauges hutumiwa kupima na kufuatilia shinikizo katika mitungi ya gesi. Gesi zilizosimamiwa hutumiwa katika viwanda vingi pamoja na matumizi ya matibabu. (b) Viwango vya shinikizo la tairi huja katika mifano mbalimbali, lakini yote yana maana kwa lengo moja: kupima shinikizo la ndani la tairi. Hii inawezesha dereva kuweka matairi yamechangiwa kwa shinikizo mojawapo kwa uzito wa mzigo na hali ya kuendesha gari. (c) Kipimo cha ionization ni kifaa cha juu cha unyeti kinachotumiwa kufuatilia shinikizo la gesi katika mfumo uliofungwa. Molekuli ya gesi ya neutral ni ionized na kutolewa kwa elektroni, na sasa hutafsiriwa katika kusoma shinikizo. Viwango vya ionization hutumiwa kwa kawaida katika maombi ya viwanda ambayo yanategemea mifumo ya utupu.

Manometers

Moja ya madarasa muhimu zaidi ya viwango vya shinikizo inatumika mali ambayo shinikizo kutokana na uzito wa wiani wa maji ya mara kwa mara hutolewa na p = h$\rho$ g. tube U-umbo inavyoonekana katika Kielelezo$\PageIndex{2}$ ni mfano wa manometer; katika sehemu (a), pande zote mbili za tube zimefunguliwa kwa anga, kuruhusu shinikizo anga kushinikiza chini kila upande kwa usawa ili madhara yake kufuta.

Manometer yenye upande mmoja tu wazi kwa anga ni kifaa bora cha kupima shinikizo la kupima. Shinikizo la kupima ni p _g = h$\rho$ g na hupatikana kwa kupima h Kwa mfano, tuseme upande mmoja wa U-tube umeunganishwa na chanzo fulani cha shinikizo p _abs, kama vile puto katika sehemu (b) ya takwimu au jar ya karanga iliyojaa utupu iliyoonyeshwa kwa sehemu (c). Shinikizo hupitishwa bila kupunguzwa kwa manometer, na viwango vya maji havikuwa sawa. Katika sehemu (b), p _abs ni kubwa kuliko shinikizo la anga, wakati katika sehemu (c), pabs ni chini ya shinikizo la anga. Katika matukio hayo yote, p _abs inatofautiana na shinikizo la anga kwa kiasi h$\rho$ g, wapi$\rho$ wiani wa maji katika manometer. Katika sehemu (b), p _abs inaweza kusaidia safu ya maji ya urefu h, hivyo ni lazima iwe na shinikizo h$\rho$ g kubwa kuliko shinikizo la anga (shinikizo la kupima p _g ni chanya). Katika sehemu (c), shinikizo la anga linaweza kusaidia safu ya maji ya urefu h, hivyo p _abs ni chini ya shinikizo la anga kwa kiasi h$\rho$ g (shinikizo la kupima p _g ni hasi).

Kielelezo A ni kuchora schematic ya manometer wazi tube ambayo ina pande zote mbili wazi kwa anga. Ngazi ya maji iko katika urefu sawa pande zote mbili. Kielelezo B ni kuchora schematic ya manometer wazi tube ambayo ina upande mmoja wazi kwa anga na upande wa pili kushikamana na puto hewa. Ngazi ya maji ni ya juu upande kufunguliwa kwa angahewa. Kielelezo C ni kuchora schematic ya manometer wazi tube ambayo ina upande mmoja wazi kwa anga na upande wa pili kushikamana na uwezo wa utupu packed karanga. Ngazi ya maji ni ya chini upande kufunguliwa kwa angahewa. — Kielelezo$\PageIndex{2}$: Manometer ya wazi ya tube ina upande mmoja wazi kwa anga. (a) Kina cha maji lazima iwe sawa pande zote mbili, au shinikizo kila upande hufanya chini itakuwa sawa na kioevu kitatoka upande wa kina. (b) shinikizo la kupima chanya p _g = h$\rho$ g kupitishwa kwa upande mmoja wa manometer inaweza kusaidia safu ya maji ya urefu h. (c) Vile vile, shinikizo la anga ni kubwa kuliko shinikizo la kupima hasi p _g kwa kiasi h$\rho$ g. rigidity ya jar huzuia anga shinikizo kutoka kwa kuambukizwa kwa karanga.

Barometers

Manometers kawaida hutumia tube ya U-umbo la maji (mara nyingi zebaki) kupima shinikizo. Barometer (Kielelezo$\PageIndex{3}$) ni kifaa ambacho hutumia safu moja ya zebaki kupima shinikizo la anga. Barometer, iliyobuniwa na mwanahisabati wa Italia na mwanafizikia Evangelista Torricelli (1608—1647) mwaka 1643, imejengwa kutoka kwenye bomba la kioo lililofungwa upande mmoja na kujazwa na zebaki. Bomba hilo linaingizwa na kuwekwa kwenye bwawa la zebaki. Kifaa hiki kinapima shinikizo la anga, badala ya shinikizo la kupima, kwa sababu kuna utupu karibu safi juu ya zebaki katika bomba. Urefu wa zebaki ni kama h$\rho$ g = p _atm. Wakati shinikizo la anga linatofautiana, zebaki huongezeka au huanguka.

Watabiri wa hali ya hewa hufuatilia kwa karibu mabadiliko katika shinikizo la anga (mara nyingi huripotiwa kama shinikizo la barometri), kama kupanda kwa zebaki kwa kawaida huashiria kuboresha hali ya hewa na zebaki inayoanguka inaonyesha hali ya hewa Barometer pia inaweza kutumika kama altimeter, kwa kuwa wastani wa shinikizo la anga hutofautiana na urefu. Barometers za Mercury na manometers ni za kawaida kwamba vitengo vya mm Hg mara nyingi huchukuliwa kwa shinikizo la anga na shinikizo la damu.

Mchoro wa schematic wa barometer ya zebaki. Anga ina uwezo wa kulazimisha zebaki katika bomba hadi urefu h kwa sababu shinikizo juu ya zebaki ni sifuri. — Kielelezo$\PageIndex{3}$: Barometer ya zebaki inachukua shinikizo la anga. Shinikizo kutokana na uzito wa zebaki, h$\rho$ g, sawa na shinikizo la anga. Anga ina uwezo wa kulazimisha zebaki katika bomba hadi urefu h kwa sababu shinikizo juu ya zebaki ni sifuri.

Mfano$\PageIndex{1}$: Fluid Heights in an Open U-Tube

U-tube na mwisho wote wazi ni kujazwa na kioevu cha wiani$\rho_{1}$ kwa urefu h pande zote mbili (Kielelezo$\PageIndex{1}$). Kioevu cha wiani$\rho_{2} < \rho_{1}$ hutiwa upande mmoja na Liquid 2 hukaa juu ya Liquid 1. Urefu juu ya pande mbili ni tofauti. Urefu hadi juu ya Liquid 2 kutoka interface ni h ₂ na urefu hadi juu ya Liquid 1 kutoka ngazi ya interface ni h ₁. Pata formula kwa tofauti ya urefu.

Takwimu ya kushoto inaonyesha U-tube iliyojaa kioevu. Kioevu kina urefu sawa pande zote mbili za U-tube. Takwimu sahihi inaonyesha U-tube iliyojaa maji mawili ya densities tofauti. Vinywaji vina urefu tofauti pande zote mbili za U-tube. — Kielelezo$\PageIndex{4}$: Vinywaji viwili vya densities tofauti vinaonyeshwa kwenye U-tube.

Mkakati

Shinikizo kwenye pointi kwa urefu sawa kwenye pande mbili za U-tube lazima iwe sawa kwa muda mrefu kama pointi mbili ziko kwenye kioevu sawa. Kwa hiyo, tunazingatia pointi mbili kwa kiwango sawa katika mikono miwili ya tube: Hatua moja ni interface upande wa Liquid 2 na nyingine ni hatua katika mkono na Liquid 1 ambayo ni katika kiwango sawa na interface katika mkono mwingine. Shinikizo katika kila hatua ni kutokana na shinikizo la anga pamoja na uzito wa kioevu juu yake.

Shinikizo upande na Kioevu 1 = p ₀ +$\rho_{1}$ gh ₁

Shinikizo upande na Kioevu 2 = p ₀ +$\rho_{2}$ gh ₂

Suluhisho

Kwa kuwa pointi mbili ziko katika Liquid 1 na ziko kwenye urefu sawa, shinikizo katika pointi mbili lazima iwe sawa. Kwa hiyo, tuna

\[p_{0} + \rho_{1} gh_{1} = p_{0} + \rho_{2} gh_{2} \ldotp \nonumber\]

Hivyo,

\[\rho_{1} h_{1} = \rho_{2} h_{2} \ldotp \nonumber\]

Hii ina maana kwamba tofauti katika urefu juu ya pande mbili za U-tube ni

\[h_{2} - h_{1} = \left(1 - \dfrac{p_{1}}{p_{2}}\right) h_{2} \ldotp \nonumber\]

Matokeo yake huwa na maana ikiwa tunaweka$\rho_2 = \rho_1$, ambayo inatoa h ₂ = h ₁. Ikiwa pande mbili zina wiani sawa, zina urefu sawa.

Zoezi$\PageIndex{1}$

Mercury ni dutu hatari. Kwa nini unadhani zebaki ni kawaida kutumika katika barometers badala ya maji salama kama vile maji?

Units ya shinikizo

Kama ilivyoelezwa hapo awali, kitengo cha SI kwa shinikizo ni Pascal (Pa), ambapo

\[1\; Pa = 1\; N/m^{2} \ldotp\]

Mbali na pascal, vitengo vingine vingi vya shinikizo vinatumika kwa kawaida (Jedwali$\PageIndex{1}$). Katika hali ya hewa, shinikizo la anga mara nyingi linaelezewa katika kitengo cha millibars (mb), wapi

\[1000\; mb = 1 \times 10^{5}\; Pa \ldotp\]

Millibar ni kitengo rahisi kwa meteorologists kwa sababu wastani wa shinikizo la anga kwenye usawa wa bahari duniani ni 1.013 x 10 ⁵ Pa = 1013 mb = 1 atm. Kutumia milinganyo inayotokana wakati wa kuzingatia shinikizo kwa kina ndani ya maji, shinikizo pia linaweza kupimwa kama milimita au inchi za zebaki. Shinikizo chini ya safu 760-mm ya zebaki kwenye 0 °C katika chombo ambako sehemu ya juu inahamishwa ni sawa na shinikizo la angahewa. Hivyo, 760 mm Hg pia hutumiwa badala ya anga 1 ya shinikizo. Katika maabara ya fizikia ya utupu, wanasayansi mara nyingi hutumia kitengo kingine kinachoitwa torr, kilichoitwa baada ya Torricelli, ambaye, kama tulivyoona tu, alinunua manometer ya zebaki kwa kupima shinikizo. Torr moja ni sawa na shinikizo la 1 mm Hg.

Jedwali$\PageIndex{1}$: Muhtasari wa vitengo vya Shinikizo
Kitengo	Ufafanuzi
SI kitengo: Pascal	$1\; Pa = 1\; N/m^ {2} $$
Kitengo cha Kiingereza: paundi kwa inchi mraba (lb/in.2 au psi)	$1\; psi = 7.015\ mara 10^ {3}\; Pa $$
Vitengo vingine vya shinikizo	$$\ kuanza {mgawanyiko} 1\; atm & = 760\; mm\; Hg\\ & = 1.013\ mara 10^ {5}\; Pa\\ & = 14.7\; psi\\ & = 29.9\; inches\; ya\; Hg\\ & = 1013\; mb\ mwisho {mgawanyiko} $$
	$1\; bar = 10^ {5}\; Pa $$
	$1\; torr = 1\; mm\; Hg = 122.39\; Pa $$

Ufafanuzi Shinikizo kamili

Mfano\(\PageIndex{1}\): Fluid Heights in an Open U-Tube

Suluhisho

Zoezi\(\PageIndex{1}\)