Сравнение барометра и манометра
Барометр и манометр измеряют давление, но предназначены для разных задач. Барометр показывает атмосферное давление, а манометр — давление газа или жидкости в замкнутом сосуде, обычно сравнивая его с атмосферным.
Что измеряют барометр и манометр
Давление показывает, с какой силой газ или жидкость действуют на единицу площади. Подробно единицы и способы измерения давления рассматриваются на странице измерение давления. В СИ давление измеряют в паскалях: \(1\ \text{Па}=1\ \text{Н}/\text{м}^2\).
Барометр — прибор для измерения атмосферного давления, то есть давления воздуха, окружающего Землю. Он показывает, насколько тяжёл столб воздуха над местом наблюдения.
Манометр — прибор для измерения давления газа или жидкости в сосуде, трубопроводе, шине, баллоне и других технических системах. Чаще всего он показывает не абсолютное давление, а давление относительно атмосферного.
| Признак | Барометр | Манометр |
|---|---|---|
| Что измеряет | Атмосферное давление | Давление газа или жидкости в системе |
| С чем сравнивает давление | С вакуумом или опорным давлением внутри прибора | Обычно с атмосферным давлением |
| Где применяют | Наблюдение за погодой, измерение давления воздуха | Контроль давления в шинах, баллонах, котлах, трубах |
| Типичный результат | Атмосферное давление \(p_{атм}\) | Избыточное давление \(p_{изб}\) |
| Единицы | Па, кПа, мм рт. ст., иногда гПа | Па, кПа, МПа, бар |
Барометр отвечает на вопрос: каково давление окружающего воздуха? Манометр отвечает на вопрос: насколько давление внутри системы отличается от атмосферного? Поэтому приборы нельзя считать взаимозаменяемыми.
Устройство и принцип действия барометра
В классическом ртутном барометре используют длинную стеклянную трубку, запаянную с одного конца и заполненную ртутью. Трубку переворачивают открытым концом в чашу с ртутью. Над столбиком ртути в трубке образуется почти безвоздушное пространство — ртутный вакуум.
Атмосферный воздух давит на поверхность ртути в чаше и поддерживает ртуть в трубке. Чем больше атмосферное давление, тем выше столбик ртути. Если давление уменьшается, столбик опускается.
Здесь \(\rho\) — плотность ртути, \(g\) — ускорение свободного падения, \(h\) — высота ртутного столбика. При нормальном атмосферном давлении \(h\approx760\ \text{мм}\), поэтому используют единицу «миллиметр ртутного столба»: \(760\ \text{мм рт. ст.}\approx101\ 325\ \text{Па}\).
В школьных задачах также встречается металлический барометр-анероид. В нём нет жидкости: атмосферное давление деформирует тонкую герметичную гофрированную коробочку. Через систему рычагов деформация передаётся стрелке, которая движется по шкале.
В барометре-анероиде стрелка показывает атмосферное давление по заранее проградуированной шкале. В ртутном барометре давление находят по высоте столбика с помощью формулы \(p=\rho gh\).
Устройство и принцип действия манометра
Простейший жидкостный манометр представляет собой U-образную трубку с жидкостью. Одно колено соединяют с сосудом, где нужно измерить давление, а другое оставляют открытым. Давление в сосуде перемещает жидкость: уровень в соединённом колене понижается, а в открытом повышается.
Если газ давит сильнее атмосферы, то \(p_{газа}>p_{атм}\), а разность уровней \(\Delta h\) позволяет найти избыточное давление. Тогда полное, или абсолютное, давление газа равно:
Если давление газа меньше атмосферного, жидкость перемещается в обратную сторону. В таком случае манометр фиксирует разрежение, а выражение для давления можно записать как \(p_{газа}=p_{атм}-\rho g\Delta h\).
В технике часто используют пружинный манометр. Его чувствительный элемент — изогнутая упругая трубка. При поступлении газа или жидкости трубка немного разгибается; механизм передаёт перемещение стрелке. На шкале обычно указано избыточное давление.
Какой прибор используют, чтобы узнать давление воздуха перед изменением погоды?
Как сравнивать показания и решать задачи
В заданиях важно сначала определить, какое давление указано: атмосферное, избыточное или абсолютное. Показание барометра обычно сразу означает \(p_{атм}\). Показание манометра чаще означает разность \(p_{изб}=p_{газа}-p_{атм}\).
U-образный манометр заполнен водой. Разность уровней воды равна \(20\ \text{см}\). Атмосферное давление \(100\ \text{кПа}\). Найдём давление газа в сосуде, если газ давит сильнее атмосферы. Примем \(\rho_{воды}=1000\ \text{кг}/\text{м}^3\), \(g=10\ \text{Н}/\text{кг}\).
1) Определите тип прибора. 2) Запишите, что означает его показание. 3) Переведите длину в метры и давление в паскали или одинаковые единицы. 4) Выберите знак «плюс» для давления выше атмосферного и «минус» для разрежения. 5) Проверьте единицу и смысл ответа.
Частые ошибки
Показание барометра \(100\ \text{кПа}\) — это атмосферное давление. Показание манометра \(100\ \text{кПа}\) обычно означает, что давление в сосуде на 100 кПа больше атмосферного, а не что его абсолютное давление равно 100 кПа.
В U-образном манометре в формулу входит вертикальная разность уровней \(\Delta h\), а не длина всей трубки и не расстояние от дна до одного уровня.
Для ртутного барометра используют плотность ртути, для водяного манометра — плотность воды. Нельзя подставлять одну жидкость вместо другой.
- Барометр измеряет атмосферное давление.
- Манометр измеряет давление в сосуде или разность давлений.
- Для жидкостного прибора используют зависимость \(\Delta p=\rho g\Delta h\).
- Абсолютное давление получают с учётом атмосферного давления.
Quick-test
Проверь понимание темы
Главное
- Барометр измеряет атмосферное давление; манометр измеряет давление в замкнутой системе или его отличие от атмосферного.
- В ртутном барометре \(p_{атм}=\rho gh\), а в жидкостном манометре \(p_{изб}=\rho g\Delta h\).
- Для газа, который давит сильнее атмосферы, \(p_{абс}=p_{атм}+p_{изб}\); при разрежении избыточное давление имеет отрицательный знак.
- При решении задач проверяйте тип давления, плотность жидкости, единицы измерения и разность уровней.