Абсолютное и относительное давление в чем разница
Абсолютное и относительное давление в чем разница
Чтобы лучше разобраться в сути понятия, необходимо напомнить, что все газообразные тела имеют тенденцию расширяться. Следующий эксперимент демонстрирует такое свойство, как влияние атмосферного давления на количество воздуха, находящегося в сосуде.
Рисунок 1 в общем изображении.
Закрытие крана не будет изменять внутреннее давление, которое будет таким же, как и внешнее давление. Количество молекул воздуха внутри воздушного шара останется постоянным.
Воздушный шар помещен внутри прозрачного колокола, к которому присоединен вакуумный насос. В этом пространстве воздушный шар окружен воздухом при атмосферном давлении.
При подаче в колокол вакуума, воздух удаляется.
Можно наблюдать, что воздушный шар увеличивается в объеме.
Почему это происходит?
I. Потому что воздух (и все газы) обладает свойством расширения.
II. Потому что воздух из колокола был удален, это уменьшило силу давления на воздушный шар и сопротивление расширению воздухом шара снизилось.
Эта свойство расширения можно продемонстрировать, используя только атмосферный воздух и воздушный шар. Закрывая воздушный шар на уровне моря (нулевая высота), в нем установиться давление 1 бар. При перемещении воздушного шара вверх на гору, увеличивая высоту, таким образом, и уменьшая окружающее атмосферное давление, будет происходить расширение воздушного шара. Это явление происходит несмотря на то, что воздушный шар остается закрытым.
Как это объяснить?
Как было отмечено выше, атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты над уровнем моря. Увеличение воздушного шара происходит из-за расширения воздуха внутри него (атмосферное давление), чему противодействует внешний воздух, давление которого ниже. При открытии крана, некоторое количество воздушных молекул будет перемещаться из воздушного шара в открытое пространство до тех пор, пока внутреннее давление не будет сбалансировано внешним давлением. Воздушный шар будет выглядеть не полностью раздутым (в вялом состоянии). Если кран закрыть и воздушный шар возвратить на уровень моря, то баллон будет находиться в «более вялом» состоянии, чем тогда, когда он был на горе. Это происходит потому, что внешнее давление (на уровне моря) больше, чем внутреннее давление (поскольку кран был закрыт на высоте выше уровня моря, то установилось более низкое давление) и оно будет действовать до разрушения оболочки воздушного шара.
Можно сделать следующие заключения:
a) Давление воздуха, содержащегося в резервуаре, может быть уменьшено до нулевого значения только в случае, если воздух из сосуда откачать, используя вакуумный насос.
b) Давление воздуха в сосуде, соединенным с атмосферой, будет равным давлению воздуха вне резервуара.
c) Резервуар, содержащий воздух с повышенным давлением, стравит в атмосферу только часть такого давления.
а) Внешнее давление – это давление атмосферы в 1 бар (рис.2). Воздух в резервуаре незначительного объема, относительно объема окружающего пространства, имеет более высокое давление. Когда резервуар соединен с атмосферой, то часть сжатого воздуха будет стравлена из резервуара. При этом достигается баланс между внутренним давлением резервуара и атмосферой.
Рисунок 4 в общем изображении.
Если прибор измерения давления (манометр) соединить с сосудом, где давление 5 бар, то он зафиксирует на различных высотах следующие значения давления:
Атмосферное давление Давление внутри сосуда Показания манометра
На уровне моря Р=1,0 бар 5 бар 5-1,0=4,0 бар
На 1000 м Р=0,9 бар 5 бар 5-0,9=4,1 бар
На 5000 м Р=0,5 бар 5 бар 5-0,5=4,5 бар
Заключение:
Давление воздуха, существующее внутри любого закрытого сосуда, называется «абсолютным давлением». Давление воздуха расположенного вне сосуда называют «относительным давлением» (или «давлением прибора измерения давления», то есть показанное манометром). Поэтому относительное давление равно разнице между «абсолютным давлением» и «атмосферным давлением» вне сосуда.
Принцип действия манометра.
Манометр использует упругое отклонение металлической трубки с профилем эллипса для изменения положения стрелки на шкале. Рисунок 4 показывает манометр «в покое», то есть когда разница давлений на внутренние и внешние поверхности трубки нулевое. Конец трубки «B» открыт для источника давления, тогда как конец «А» закрыт и присоединен к механизму рычага. Этот механизм преобразует отклонение «А» во вращательное движение, изменяя положение стрелки на шкале. На рисунке 5, манометр соединен с воздухом под давлением. Конец «А» будет прогибаться из-за различия давлений, внутреннего и внешнего, это различие можно увидеть на шкале манометра.
Что значит абсолютное давление? Чем отличается от относительного (видимо)
Давление является важной физической величиной, описывающей поведение жидких и газообразных сред в системах контроля технологических процессов. Датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других веществ, обеспечивая надлежащее протекание контролируемого процесса и предупреждая аварийные ситуации.
Наиболее часто встречающиеся измерения давления подразделяются на: измерение абсолютного давления (ДА), избыточного (ДИ), вакуумметрического (ДВ), разности давлений (ДД).
Абсолютное давление Р – полное давление, под которым находится жидкость (газ, пар). Оно равно сумме давлений избыточного Ри и атмосферного Ра
т.е. избыточное давление равно разности между абсолютным давлением, большим атмосферного и атмосферным давлением.
Вакуумметрическое давление (разрежение, вакуум) – разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением меньше атмосферного:
Единицы измерения давления:
кПа
бар
атм
кгс/см2
мм.рт.ст.при 0 оС
мм.вод.ст.при 4оС
фунт/дюйм
На самом деле, действительно, закипит. Но, если при очень низкой температуре (для понимания)
Абсолютное давление – это истинное или полное давление, величина, измеренная относительно полного вакуума. Данный параметр состояния исчисляется, как отношение силы, действующей на поверхность, к общей площади этой поверхности, или как сумма значений манометрического и атмосферного давления.
Абсолю́тное давле́ние ─ это истинное давление сплошных масс (жидкостей, паров и газов), отсчитываемое от абсолютного нуля давления ─ абсолютного вакуума. Абсолютный нуль давления макроскопических объёмов вещества практически недостижим, так как любое твёрдое тело образует пары, да и космическое пространство также не представляет собой абсолютную пустоту, лишённую вещества, поскольку содержит водород в количестве нескольких молекул на кубический сантиметр.
Различают также избыточное или манометрическое (приборное) давление и давление окружающей среды (в земных условиях ─ атмосферное давление). Избыточное давление представляет собой разность абсолютного давления и давления окружающей среды. Эта разность может быть как положительной, так и отрицательной. В последнем случае её называют разрежением или вакуумом, а избыточное давление – остаточным. Измерение абсолютного давления в земных условиях связано с определёнными трудностями. Практически измеряют атмосферное давление приборами барометрического типа, избыточное давление ─ приборами манометрического типа, а абсолютное давление вычисляют по формуле.
Различают давление атмосферное, избыточное и абсолютное.
Атмосферным называют давление воздуха (атмосферы) на землю и на предметы, которые находятся на ней. Это давление называется ещё барометрическим давлением, поскольку оно измеряется барометром. Обозначается Рбар. Давление воздуха на уровне моря при температуре 0 °С равно 760 мм рт ст. Его принято называть физической атмосферой (атм). С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается.
Избыточное давление- это излишек над атмосферным давлением. Это давление измеряется манометром, поэтому его ещё называют манометрическим или рабочем (кгс/см2, мм. рт. ст., мм. вод. ст.). Соотношение между этими единицами следующее:
1 ат = 1 кгс/см2 = 735,6 мм. рт. ст. = 10 000 мм. вод. ст. =10 м. вод. ст. = 10 000кгс/см2.
Абсолютное давление может быть больше или меньше атмосферного. Давление ниже атмосферного называется вакуумом (Рвак). В котельной практике это разряжение (тяга) в топке котла и газоходах.
В международной системе единиц СИ основной единицей измерения давления есть ньютон на квадратный метр (Н/М2). По решению Международного комитета мер и веса эта единица названа паскалем (Па)
1 Па = 1 Н/м2 Эта единица давления очень мала и использовать её на практике невыгодно, поэтому используют кратные несистемные единицы:
1 кПа = 1 000 Па = 103 Па
1 МПа = 1 000 000 Па = 106 Па
1гПа = 1 000 000 000 Па = 109 Па
1 мм вод. ст. = 9,8066 Па = 10 Па
Виды давления
Давление — действующая сила, находящаяся на поверхности тела, деленная на площадь данной поверхности. В системе СИ измеряется в Па (Паскалях). Метрологи измеряют давление в единицах измерения – миллибар, которая равно 100 Па. Для обозначения типа в нашем каталоге в разделе датчики давления у каждого датчика существует специально поле «Тип измеряемого давления». Разберем какие бывают типы.
Барометрическое давление — это абсолютное давление земной атмосферы. Свое название этот тип давления получил от измерительного прибора барометра, который как известно определяет атмосферное давление в определенный момент времени при определенно температуре и на определенной высоте над уровнем моря. Относительно этого давления определяются избыточное давление и вакуум.
Избыточное давление имеет место в том случае если имеется положительная разность между измеряемым давлением и барометрическим. То есть избыточное давление — это величина на которую измеряемое давлением больше барометрического. Для измерения этого вида давления используют манометр. В качестве примера датчика этого типа можете посмотреть прибор Агат-100М-ДИ.
Вакуум или по-другому вакуумметрическое давление — это величина на которую измеряемое давление меньше барометрического. Если избыточное давление обозначается в положительных единицах, то вакуум в отрицательных. Например, датчик Агат-100М-ДВ, способный измерять вакуум. Приборы способные измерять этот тип давления называют вакуумметрами.
Дифференциальное давление имеет место если сравнивается одно давление относительно другого, причем ни одно из них не равно барометрическому. Избыточное давление и вакуум меряется относительно барометрического давления. Если же измерить эти величины относительно любой другой величины, то мы получим уже дифференциальное. Мы могли бы привести пример и датчика дифференциального давления, но лучше дадим вам ссылку на поиск с помощью которого можно найти датчик любого типа из описанных в этой статье типа.
Как задавать давление жидкости при решении задач вычислительной гидродинамики
Существует множество способов, позволяющих экспериментально измерить давление жидкости. При создании вычислительных моделей гидродинамических процессов важно использовать корректное значение давления для постановки граничных условий и определения свойств материалов. В данной статье мы рассмотрим отличия между относительным и абсолютным давлением, объясним, почему в программном пакете COMSOL Multiphysics® для решения задач гидродинамики используется относительное давление, и покажем, в каких случаях следует применять эти способы определения давления.
В чем различие между абсолютным и относительным давлениями?
В механике жидкостей давление определяется как отношение силы к площади поверхности, к которой приложена эта сила. COMSOL Multiphysics позволяет решать уравнения Навье — Стокса, описывающие течение жидкости, и находить поля скорости и давления движущейся среды.
В задачах вычислительной гидродинамики давление можно задавать двумя способами, используя либо абсолютное, либо относительное давление.
Абсолютное давление
Абсолютным давлением называют истинное давление жидкости относительно вакуума. Например, если измерить давление окружающего воздуха барометром в обычный день, то мы увидим, что абсолютное давление составляет около 1 атм или 101,325 кПа — это значение соответствует атмосферному давлению на уровне моря. Нулевое абсолютное давление соответствует вакууму.
Барометр позволяет измерять давление воздуха от 950 до 1050 мбар (1 мбар = 100 Па). Изображение, предоставленное Langspeed. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.
Относительное давление
Относительное давление — это давление жидкости относительно базового значения, которое используется в качестве уровня отсчета давления. Манометрическое давление — это давление, измеренное относительно давления окружающей среды, то есть это относительное давление при условии, что давление окружающей среды принято за начало отсчета. Обычно относительное давление используется для характеристики закрытых систем. Его можно измерить манометром — прибором, который позволяет соотнести внутреннее давление с давлением внешней среды.
Манометры, используемые для измерения относительного давления на станции регулирования давления. Обратите внимание, что шкалы начинаются с нуля, который соответствует базовому значению давления в системе. Изображение предоставлено Holmium — собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.
Абсолютное давление и относительное давление связаны следующим образом:
В случае, когда в качестве базового давления используется давление вакуума, значения абсолютного и относительного давлений совпадают. Во многих случаях базовое значение давления соответствует атмосферному давлению или давлению окружающей среды.
Давайте соотнесем указанные способы определения давления с тем, что мы видим в COMSOL Multiphysics. При решении задач гидродинамики программное обеспечение COMSOL® рассчитывает значения компонент скорости (u,v,w) и относительного давления (р). Далее мы поясним, как использование относительного давления вместо абсолютного в качестве зависимой переменной позволяет точнее рассчитать давление в нашей модели. Мы можем использовать значения относительного давления при задании начальных и граничных условий, как показано в следующем примере.
Как задается давление жидкости в COMSOL Multiphysics®
Рассмотрим пример, показывающий, как правильно использовать переменные для относительного и абсолютного давлений в модели COMSOL Multiphysics. Для этого воспользуемся простой моделью течения воздуха, который поступает в канал со скоростью 1 м/с при абсолютном давлении в выходном сечении 1 атм. На верхней и нижней границах используются условия нулевой скорости за исключением короткого входного участка, на котором заданы условия симметрии. Специальные условия на коротком входном участке позволяют избежать несогласованности граничных условий, возникающей при задании равномерного распределения скорости на входе, которое не может быть удовлетворено на твердых стенках.
Схематическое изображение канала и проходящего через него потока воздуха.
В рассматриваемой модели переменные для относительного и абсолютного давлений обозначены соответственно р и spf.pA. В настройках интерфейса Laminar Flow (Ламинарное течение) видно, что искомые зависимые переменные представляют собой компоненты скорости (u,v,w) и относительное давление (р).
Окно Settings (Настройки) со списком зависимых переменных.
Как видно из рисунка ниже, базовое давление по умолчанию составляет 1 атм. Это значение используется при расчетах абсолютного давления: spf.pA = p + spf.pref.
Для сжимаемости выберем параметр Weakly compressible flow (Слабо сжимаемая среда), который означает, что плотность среды зависит только от температуры и рассчитывается для базового значения давления. Узнать больше о различных настройках сжимаемости можно в предыдущей статье блога.
Настройки сжимаемости и базового давления.
Теперь зададим граничные условия. Для нормальной компоненты скорости на входе зададим значение 1 м/с. При задании граничного условия в выходном сечении и начальных значений искомых переменных нужно вводить значение относительного давления с учетом заданного базового значения, поскольку мы используем настройки по умолчанию. При добавлении условия на выходе мы видим, что значение относительного давления по умолчанию р = 0, то есть абсолютное давление равно 1 атм при использовании заданного по умолчанию базового значения давления.
Окна настроек для граничных условий, в которых заданы значения относительного давления в качестве начальных (слева) и граничных (справа) условий.
Возможно, у вас возник вопрос, для чего в COMSOL® выполняется расчет переменной для абсолютного давления spf.pA. Абсолютное давление используется при расчете плотности сжимаемой жидкости. К примеру, если перейти к описанию свойств воздуха в канале, мы увидим, что плотность рассчитывается по уравнению состояния идеального газа, где рА — абсолютное давление, Т — температура. Поскольку в уравнение состояния идеального газа входит абсолютное давление, при расчете плотности нужно прибавить к уровню отсчета давления относительное давление р. Тем не менее вклад относительного давления в полное давление здесь настолько мал (0,00025%, см. ниже), что при расчете плотности можно использовать базовое значение давления — именно так и выполняется расчет плотности при выборе параметра Weakly compressible flow (Слабо сжимаемая среда). В системах с большим изменением давления в потоке можно выбрать вариант Compressible flow (Сжимаемая среда).
Расчет плотности по уравнению состояния идеального газа.
Теперь, задав граничные условия для нашей задачи, можно получить ее решение и визуализировать поле течения с помощью линий тока. 
Поле течения в канале, показанное с помощью линий тока и векторного поля скорости.
Кроме того, мы можем построить распределение давления во входном сечении канала (по оси у на левой вертикальной границе). Из графика ниже видно, что изменение давления в пределах входного сечения составляет примерно 0,1 Па при базовом давлении 10 5 Па. Это означает, что базовое давление примерно в миллион раз превышает изменение давления во входном сечении!
Распределение относительного давления вдоль вертикальной входной границы.
Решение гидродинамических задач с помощью относительного давления
По умолчанию при решении задач гидродинамики в COMSOL Multiphysics в качестве зависимой переменной используется относительное давление, а когда требуется получить значение абсолютного давления, например, для расчета плотности жидкости, к относительному просто прибавляется базовое давление. Это повышает точность расчета флуктуаций поля давления вокруг базового значения, а также расчета градиентов давления.
Теперь вернемся к нашему примеру и вычислим перепад давления. С помощью операции Line Average (Осреднение по линии) мы можем определить, что значение относительного давления на входе равно pinlet = 0,26 Па.
Представим теперь, что мы решили задачу, используя абсолютное давление. В этом случае значения давления на входе и на выходе оказались бы равны соответственно 101 325,26 Па и 101 325,00 Па. Относительное изменение давления между входным и выходным сечениями канала составляет 0,000253814%. Как показано на графике распределения давления, на входе изменения еще более незначительны: давление меняется в пределах одной миллионной от значения абсолютного давления. Столь малое относительное изменение очень сложно точно рассчитать при решении уравнений.
Так как мы решаем задачу численным методом, мы получаем лишь приближенные значения реального поля давления. Давление определено в каждой точке, тогда как численное решение позволяет найти значения давления в относительно малом числе точек. За счет погрешности округления и интерполяции появляется числовая погрешность. Кроме того, численное решение уравнений может быть получено только с некоторой ограниченной, заданной точностью. Погрешность найденных численными методами значений давления сопоставима с относительно малыми изменениями давления, которые мы ищем. С помощью разложение давления на базовое и относительное, мы можем более эффективно, чем при использовании абсолютного давления, рассчитывать градиенты давления и колебания давления относительно атмосферного при приемлемых значениях относительной погрешности.
Как задать базовое давление
Теперь, когда мы понимаем, для чего используется относительное давление при решении гидродинамических задач в COMSOL Multiphysics, становится ясно, насколько важно правильно задавать базовое давление. Очевидно, что значение базового давления 1 атм подходит для систем, работающих при давлении, близком к атмосферному. В системах с очень высоким либо низким давлением следует использовать базовое значение давления, которое соответствует уровню давления в потоке.
Например, в колбе обычной лампы накаливания находится разреженный аргон, предотвращающий окисление нити. В учебной модели из Галереи приложений значение базового давления задано в соответствии с давлением газа, заполняющего колбу (50 кПа). В разделе Initial Values (Исходные значения) относительное давление задано как р = 0, что соответствует абсолютному давлению 50 кПа при заданном уровне базового давления.
Моделирование свободной конвекции аргона в лампе накаливания.
При моделировании систем с очень низким давлением важно убедиться, что среду все еще можно считать сплошной. Чтобы узнать, не потребуется ли для моделирования течения использование методов молекулярной физики, можно рассчитать число Кнудсена, которое равно отношению средней длины свободного пробега частицы к характерному размеру системы.
Особенности задания давления жидкости в COMSOL Multiphysics®: краткий обзор
Итак, в этой публикации мы постарались объяснить, что абсолютное давление является результатом прямого измерения, а относительное отсчитывается от базового значения давления.
В COMSOL Multiphysics для решения задач гидродинамики используется относительное давление, что позволяет повысить точность расчета поля давления. Это означает, что начальные и граничные условия необходимо задавать с помощью значений относительного давления. Вместе с тем для расчета плотности газа используется абсолютное давление, которое вычисляется путем сложения базового и относительного давлений. Для систем высокого или низкого давления базовое давление необходимо задавать в соответствии со средним значением давления в системе.
Что такое абсолютные, относительные и дифференциальные режимы измерения давлений?
НАЗНАЧЕНИЕ
В руководстве приведены советы для желающих выбрать и использовать приборы для измерения давления и вакуума. В нем вводятся основные понятия и практические методики проведения таких измерений, объясняется, как провести такие измерения так, чтобы они являлись достоверными и содержательными.
Некоторые методики проведения измерений сверх данных диапазонов и для измерения динамического давления изложены в сжатом виде. Читателям, интересующимся этими дополнительными режимами, следует обратиться к списку литературы в главе 11.
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире измерения давления и вакуума играют большую и важную роль. Промышленная революция в значительной степени была вызвана давлением, полученным в результате преобразования воды в пар и именно с тех самых пор возникла необходимость измерять давление в более широких диапазонах и с большей точностью.
ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Что такое давление? Отличается ли вакуум от давления?
Соотношение между давлением (р ), силой (F), и площадью (А) выражается формулой:
р = F/A. (1)
Соотношение (1) применяется и при очень малых давлениях, таких, как в открытом космосе, и при очень больших, как, например, в гидравлических системах. Следовательно, слово ‘давление’ уместно в контексте полного диапазона измерений ‘сила на единицу площади’ (хотя, справедливо и то, что при крайне низких давлениях понятие ‘молекул, воздействующих с какой-то силой,’ становится более абстрактным).
Итак, что такое вакуум? Не существует точного определения вакуума, но обычно о вакууме говорят, когда необходимо обозначить давления ниже, и часто значительно ниже, атмосферного давления. Он не измеряется в специальных единицах, и мы не говорим, что «вакуум равен силе на единицу площади». Значит, строго говоря, это руководство могло быть озаглавлено скорее как Руководство по измерению Давления, чем как Давления и Вакуума. Но часто различия понимаются неправильно и следовательно, исключение слова вакуум могло бы ошибочно подразумевать, что данное Руководство не охватывает измерения давления ниже атмосферного.
Другое толкование разницы между давлением и вакуумом берет начало от тех отраслей промышленности, в которых используется и производится оборудование для измерения давления и вакуума. Вообще говоря, если сила, действующая на стенки сосуда, имеет достаточную величину для того, чтобы ее можно было непосредственно измерить, то мы имеем дело с технологией измерения давления. Но если сила слишком мала для непосредственного измерения и должна быть определена посредством дополнительных средств, значит, мы имеем дело с вакуумными технологиями. Хотя и это объяснение не является исчерпывающим. Например, существует класс приборов, которые работают с вакуумом с помощью измерения отклонения диафрагмы.
Что такое абсолютные, относительные и дифференциальные режимы измерения давлений?
Однако, в каждодневной жизни многие приложения, связанные с давлением, не столько зависят от абсолютного значения давления, сколько от разницы между ним и давлением атмосферы. О проколотой автомобильной шине говорят, что ‘ в ней нет воздуха ’. Показания, снятые подсоединенным к ней прибором для измерения давления, будут равны нулю, в то время как, очевидно, что в шине все-таки находится атмосферный воздух. Такой прибор предназначен для измерения значений давления, выраженных по отношению к атмосферному давлению, и поэтому он показывает ноль, когда его измерительный порт ‘просто’ содержит молекулы при атмосферном давлении. Эти измерения обычно называются измерениями относительного давления. Значит, разность между абсолютным значением давления и относительным значением давления равна переменному значению атмосферного давления:
абсолютное давление = относительное давление + атмосферное давление (2)
В некоторых применениях, когда необходимо знать разницу давлений между двумя системами, давление отсчета не обязательно должно быть либо нулевым, либо атмосферным, а может быть какой-нибудь другой величиной. Такие давления известны, как дифференциальные. Например, поток газа по трубопроводу зависит от разницы давлений между концами трубы, и на практике оба конца обычно находятся под сравнительно высокими давлениями. Для того, чтобы избежать серьезных ошибок, во время измерений давления очень важно четко понимать, какой вид измерений используется: абсолютный, относительный (положительный или отрицательный) или дифференциальный.