Почему поднимается давление



Ежедневные вопросы по поводу того, отчего же насосы не смогут всасывать жидкость с глубины более 9 метров сподвигли меня написать статью об этом.
Для начала мало истории:
В 1640 г. в Италии герцог Тосканский решил устроить фонтан на террасе своего дворца. Для подачи воды из озера был выстроен трубопровод и насос большой длины, каких до этого еще не строили. Но оказалось, что система не работает — вода в ней поднималась лишь до 10,3 м над уровнем водоёма.


Никто не имел возможности растолковать, в чем тут дело, пока ученик Галилея — Э. Торичелли не высказал идея, что вода в системе поднимается под действием тяжести атмосферы, которая давит на поверхность озера. Столб воды высотой в 10,3 м в точности уравновешивает это давление, и исходя из этого выше вода не поднимается. Торичелли взял стеклянную трубку с одним запаянным концом и другим открытым и заполнил ее ртутью. Позже он зажал отверстие пальцем и, перевернув трубку, опустил ее открытым концом в сосуд, наполненный ртутью. Ртуть не вылилась из трубки, а лишь мало опустилась.
Столб ртути в трубке установился на высоте 760 мм над поверхностью ртути в сосуде. Вес столба ртути сечением в 1 см2 равен 1,033 кг, т. е. в точности равен весу столба воды для того чтобы же сечения высотой 10,3 м. Как раз с таковой силой атмосфера давит на любой квадратный сантиметр любой поверхности, а также и на поверхность нашего тела.


Точно кроме этого, в случае если в опыте с ртутью вместо неё в трубку налить воды, то столб воды будет высотой 10,3 метра. Как раз исходя из этого и не делают водяных барометров, т.к. они были бы через чур громоздкими.

Почему поднимается давление


Давление столба жидкости (Р) равняется произведению ускорения свободного падения (g), плотности жидкости (?) и высоты столба жидкости:

Почему поднимается давление

Атмосферное давление на уровне моря (Р) принять считать равным 1 кг/см2 (100 кПа).
Примечание: в действительности давление равняется 1,033 кг/см2.

Плотность воды при температуре 20°С равна 1000 кг/м3.
Ускорение свободного падения – 9,8 м/с2.

Почему поднимается давление


Из данной формулы видно, что чем меньше атмосферное давление (P), тем на меньшую высоту может встать жидкость (т.е. чем выше над уровнем моря, к примеру в горах, тем с меньшей глубины может всасывать насос).
Кроме этого из данной формулы видно, что чем меньше плотность жидкости, тем с большей глубины возможно её выкачивать, и напротив, при большей плотности глубина всасывания уменьшится.

К примеру, ту же ртуть, при совершенных условиях, возможно поднять с высоты не более 760 мм.
Предвижу вопрос: из-за чего в расчетах оказался столб жидкости высотой 10,3 м, а насосы всасывают лишь с 9 метров?
Ответ достаточно простой:
- во-первых, расчет выполнен при совершенных условиях,
- во-вторых, каждая теория не дает полностью правильных значений, т.к. формулы эмпирические.
- и в-третьих, постоянно существуют утраты: во всасывающей линии, в насосе, в соединениях.
Т.е. не вероятно в простых водяных насосах создать разряжение, достаточное чтобы вода встала выше.

Итак, какие конкретно выводы из всего этого возможно сделать:
1. Насос не всасывает жидкость, а только формирует разряжение на своём входе (т.е. сокращает атмосферное давление во всасывающей магистрали). Вода выдавливается в насос атмосферным давлением.
2. Чем больше плотность жидкости (к примеру, при громадном содержании в ней песка), тем меньше высота всасывания.
3. Вычислить высоту всасывания (h) возможно, зная, какое разряжение формирует насос и плотность жидкости по формуле:
h = P / ( ?* g) - x,

где P – атмосферное давление, - плотность жидкости. g – ускорение свободного падения, x – величина утрат (м).

Почему поднимается давление

Примечание: формула может употребляться для расчета высоты всасывания при обычных условиях и температуре до +30°С.
Кроме этого хочется добавить, что высота всасывания (в общем случае) зависит от вязкости жидкости, длины и диаметра трубопровода и температуры жидкости.

К примеру при повышении температуры жидкости до +60°С, высота всасывания значительно уменьшается практически вдвое.
Это происходит вследствие того что возрастает давление насыщенных паров в жидкости.
В любой жидкости постоянно присутствуют пузырьки воздуха.
Думаю, все видели, как при закипании сперва появляются мелкие пузырьки, каковые после этого возрастают, и происходит кипение. Т.е. при кипении, давление в пузырьках воздуха делается больше, чем атмосферное.
Давление насыщенных паров и имеется давление в пузырьках.
Повышение давления насыщенных паров ведет к тому, что жидкость закипает при более низком давлении. А насос, именно и формирует в магистрали пониженное атмосферное давление.
Т.е. при всасывании жидкости при большой температуре, существует возможность её закипания в трубопроводе. А никакие насосы не смогут всасывать кипящую жидкость.
Вот, в общем, и всё.

Почему поднимается давление

А самое увлекательное, что все это мы все проходили на уроке физики при изучении темы атмосферное давление.
Но раз вы читаете эту статью, и почерпнули что-то новое, то как раз "проходили" ;-)

Статьи по теме