Измерения и меры

Температура абсолютного нуля, будучи выражена в градусах стоградусной шкалы, близка к —273,16 °C. Значит, чтобы найти значение температуры в градусах шкалы Кельвина (°К), нужно к —273,16 прибавить величину температуры в °C.

Приборы для измерения температуры — термометры — строятся на различных принципах, но чаще всего используется свойство жидкостей (воды, спирта, ртути и т. д.) изменять объём при нагреве и охлаждении. Такой термометр показан на рис. 31.

Долгое время роль эталонных термометров играли ртутные термометры.

Рис. 31. Термометр.

Затем стали использоваться так называемые водородные термометры, в которых температура определялась по давлению водорода в закрытом сосуде. С повышением температуры давление, как мы уже упоминали, повышается.

В наши дни эталоном температуры служит группа особых электрических термометров, на устройстве которых мы останавливаться не будем.

КАК ИЗМЕРЯЮТ ДАВЛЕНИЕ

Нам часто приходится иметь дело с давлением. Поезд давит на рельсы; газы, образующиеся при сгорании топлива, давят на поршень двигателя; налитая в стакан вода оказывает давление на его дно и стенки.

Короче говоря, любые два соприкасающихся тела давят друг на друга. Сила, с которой одно тело воздействует на другое, всегда распределяется по всей площади их соприкосновения. На каждую единицу этой площади приходится определённая часть общей силы. Сила, действующая на единицу площади, по которой соприкасаются тела, и называется давлением.

Почему лыжник проходит по самому рыхлому снегу, а пешеход проваливается в него по колено? Дело здесь в том, что одна и та же сила (вес человека) в первом случае распределяется по значительно большей площади, чем во втором.

А иногда совершенно разные силы создают одинаковые давления. Например, давление колеса паровоза на рельс приблизительно равно давлению граммофонной иглы на пластинку. Секрет здесь всё в том же — в различной площади соприкосновения.

Необходимость в измерении давлений встречается на каждом шагу. Метеорологи измеряют атмосферное давление, то есть давление, оказываемое на поверхность земли воздушным столбом атмосферы. Океанографы исследуют давление в морских глубинах. Врачу часто приходится определять давление крови в кровеносных сосудах больного.

Учёные научились измерять колоссальные давления, возникающие, например, в орудийных стволах при выстреле. Было измерено и ничтожное давление, оказываемое на различные тела лучами света.

Принят ряд единиц давления. Они выражаются единицами силы, отнесёнными к единицам площади. Так, в технике давление часто измеряют в килограммах на квадратный сантиметр (кг/см²).

Для измерения небольших давлений применяются другие единицы — миллиметр ртутного столба и миллиметр водяного столба.

Миллиметр ртутного столба (мм Hg) — это давление, производимое столбом ртути высотой в 1 мм при ускорении силы тяжести, равном 9,80665 м/сек².

Миллиметр водяного столба (обозначается через мм Н₂О) — давление, оказываемое столбом воды высотой в 1 мм при температуре 4 °C.

1 кг/см² равен 10 000 мм Н₂О или 735,56 мм Hg.

Измеряют давления с помощью специальных приборов, которые называются манометрами.

На рис. 32 изображён простейший манометр. Он представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную ртутью или водой. Одно из колен трубки соединяется с резервуаром, в котором нужно измерить давление газа, другое остаётся открытым. На свободный конец трубки давит столб атмосферного воздуха. Если давление внутри резервуара, с которым соединён манометр, равно атмосферному давлению, жидкость в обоих коленах устанавливается на одном уровне. Если же давление внутри резервуара больше атмосферного, то ртуть в открытом колене поднимется, а в закрытом опустится. Разность уровней ртути будет тем больше, чем больше измеряемое давление по сравнению с атмосферным. Если при атмосферном давлении в 760 мм Hg разность уровней ртути составляет, например, 10 мм, причём уровень жидкости в открытом колене выше, то давление газа внутри резервуара равняется 770 мм Hg.

Единицы давления (от 1 до 1000 кг/см²) воспроизводятся обычно с помощью ртутных и поршневых эталонных манометров.

Эталонный манометр ртутного типа устроен по уже знакомому нам принципу. Он представляет собой U-образную трубку из инвара с двумя стеклянными смотровыми окнами. Высота ртутного столба измеряется оптическим методом с очень высокой точностью. Такой манометр служит для воспроизведения единицы, равной 1 кг/см².

Рис. 32. Простейший манометр.

На рис. 33 схематически изображён эталонный манометр поршневого типа. Он состоит из цилиндра, поршня и набора грузов. Цилиндр наполняется маслом и соединяется с пространством, в котором воспроизводится требуемое давление. Поршень перемещается внутри цилиндра и под действием груза давит на масло. Зная вес груза и площадь поршня, легко подсчитать возникающее при этом давление. Поршневые манометры применяются для воспроизведения давления от 1 до 1000 кг/см².