Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений. Учебное пособие для поверителей средств теплотехнических и физико-химических измерений
.pdf
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
1.1. Размер и значение физической величины
Физическая величина является объектом измерения и представляет собой характеристику свойства или состояния вещества
или физического тела, общую в качественном отношении для
многих объектов, но в количественном отношении индивидуальную для каждого объекта.
В частности, физическими величинами, подлежащими измерению, являются:
температура (газа, пара, жидкости, твердого тела, сыпучего
вещества);
термоэлектродвижущая сила термопары;
электрическое сопротивление металлических проводников,
полупроводников, термопреобразователей;
сила постоянного тока;
напряжение постоянного тока;
давление газа, пара или жидкости;
взаимная индуктивность;
плотность;
вязкость и т.д.
Физическую величину можно охарактеризовать двумя основными понятиями: размером и значением.
Размером физической величины называют количественную
определенность величины, присущую конкретному веществу или
физическому телу.
Размер физической величины — это объективно существующая реальность, которая не зависит от нашего знания или незнания о ней. Например, в системе поддерживается определенное
давление газа. Это давление существует, действует на стенки сосуда или на размещенные в системе устройства с определенной
степенью действия. Эта степень действия и есть размер давления.
При изменении давления изменяется его размер. Он может быть
больше или меньше предыдущего, но он есть в форме реального
существования.
Характеристикой размера физической величины служит ее
числовое значение.
Числовым значением величины называют оценку ее размера
в виде некоторого числа принятых для нее единиц.
Единица величины — это такая величина, которой по опреде-
1
p
.p
2
1
см
кгс
2
1
p
Па.106133,19
4
1
p
лению присвоено числовое значение, равное единице.
Поэтому значение величины можно выразить в виде соотношения
X = nx,
где X — условное обозначение размера физической величины,
n — единица величины,
x — количество единиц величины.
Приведенное уравнение называют основным уравнением
измерения.
Например, если принять в качестве единицы давления один
паскаль, можно определить, сколько паскалей содержится в размере давления в данной емкости. Это и будет числовое значение
давления в емкости, выраженное в данных единицах. Если в качестве единицы применяется один килограмм-сила на квадратный сантиметр, то этот же размер давления будет иметь другое
числовое значение, поскольку выбранная единица — килограммсила на квадратный сантиметр — отличается от паскаля.
В качестве примера приведем значение давления одного размера
при применении разных единиц давления. Если данный
размер выразить через единицу кгс/см2, получим числовое значение, равное
Если тот же размер
выразить с помощью единицы давле-
ния паскаль, числовое значение будет равно
Числовое значение величины обычно определяют посредством измерения и выражают в виде определенного количества
принятых единиц данной величины. Результат измерения называют измеренным значением величины.
Физические величины, значения которых мы стремимся определить с помощью эксперимента, обычно характеризуют одним
из двух понятий:
истинное значение (теоретическое);
действительное значение (практическое).
Истинное значение величины — это такое значение, кото-
v
vD
Re
рое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующую величину.
Никакими существующими средствами невозможно определить истинное значение величины, поскольку значение физической величины всегда определяют посредством эксперимента, т.е.
с некоторой погрешностью. Поэтому на практике взамен «истинного значения» оперируют понятием «действительное значение».
Действительное значение величины — это значение, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному
значению, что для поставленной измерительной задачи может
его заменить.
Все физические величины могут быть объединены в системы
величин. В пределах одной системы физические величины можно
разделить на две группы — основные и производные.
Основной величиной в системе физических величин называют величину, принятую за независимую и используемую, в частности, для определения других величин данной системы.
Производной величиной в данной системе физических величин называют величину, которую определяют через основные величины этой системы.
Например, в системе величин примем длину и время τ в качестве основных величин. В этом случае, например, скорость v
движущегося объекта является производной величиной, определяемой как путь, пройденный объектом за некоторое время. Определяющее уравнение для скорости
.
Производной величиной может быть величина, являющаяся
безразмерной и остающаяся таковой в любой системе величин.
Например, число Рейнольдса Re является безразмерной производной величиной:
,
где v — скорость среды в трубопроводе,
D — внутренний диаметр трубопровода,
ρ — плотность среды,
μ — динамическая вязкость среды.
1.2. Единицы величин. Системы единиц
Как было сказано выше, единица величины — это такая ве-
личина, которой по определению присвоено числовое значение,
равное единице.
Для удобства применения единицы объединяют в систему
единиц физических величин. Современный метод построения
системы единиц был предложен немецким ученым К. Гауссом
в 1832 году. К. Гаусс предложил разделить все единицы физических величин на два типа: основные и производные.
Как правило, в применяемой системе единиц основным физическим величинам соответствуют основные единицы. Производным физическим величинам соответствуют производные единицы.
Основные единицы составляют основу системы. Они независимы друг от друга. В частности, в первой системе единиц, которую предложил К. Гаусс, основными единицами были приняты
три: единицы длины, массы и времени.
Производные единицы данной системы определяются из основных единиц по математическим зависимостям (формулам,
уравнениям), связывающим соответствующие физические вели-
чины.
Карл Фридрих Гаусс родился 30 апреля 1777 года в Брауншвейге. Еще ребенком он проявил математический талант,
а в возрасте 14 лет был представлен Карлу Вильгельму Фердинанду — брауншвейговскому герцогу, который взял юного математика под свое покровительство.
В 1795 году Гаусс поступил в Геттингентский университет.
В самом начале обучения он изобретает метод наименьших квадратов. После опубликования первой крупной работы «Арифметические исследования» двадцатичетырехлетний Карл Гаусс был
принят в члены-корреспонденты Петербургской Академии Наук.
С 1807 года и до конца своей жизни Гаусс занимал должность профессора математики и директора обсерватории
Геттингентского университета.
Система
Длина
Масса
Время
Эл.
ток
Темпе-
ратура
Сила
МКС
метр
кило-
грамм
секунда
– – –
МКСК
метр
кило-
грамм
секунда
–
кельвин
–
МКСА
метр
кило-
грамм
секунда
ампер – –
СГС
сантиметр
грамм
секунда
– – –
МТС
метр
тонна
секунда
– – –
МКГСС
метр
–
секунда
–
–
килограмм-
сила
В 1832 году Гаусс издает трактат «Интенсивность земного
магнетизма», а через год совместно с Вильгельмом Вебером создает электромагнитный телеграф.
Гаусс проявил себя как выдающийся ученый в таких областях знаний как математика, физика, астрономия, геодезия.
И, конечно, велика заслуга Карла Гаусса в достижениях в области метрологии — он создал абсолютную систему единиц физических величии, структура которой до сих пор не потеряла
своей актуальности.
Умер Карл Гаусс 23 февраля 1855 году в своей обсерватории
в Геттингене.
Наряду с единицами, входящими в какую-либо систему единиц, в практике измерений нашли применение внесистемные
единицы, т.е. единицы, не вошедшие ни в одну официальную
систему единиц. Применение их обычно обусловливается удобствами измерения соответствующих величин.
Например, самая распространенная единица давления —
один килограмм-сила на квадратный сантиметр (техническая атмосфера) является внесистемной единицей. Числовое значение
давления, равное одной технической атмосфере, близко по размеру среднему значению давления атмосферного воздуха на
уровне моря, что было удобно для практических измерений.
В табл. 1 приведены основные единицы некоторых систем единиц, применяемых до введения Международной системы единиц.
Таблица 1
Основные единицы физических величин
в некоторых системах единиц
Долгое время в качестве основной применялась система единиц СГС (сантиметр–грамм–секунда), установленная в 1881 году
первым Международным конгрессом электриков. На основе этой
системы были созданы семь видов систем единиц, применительно к различным областям измерений. Это системы СГСЭ (сантиметр–грамм–секунда + безразмерная единица диэлектрической
проницаемости вакуума), СГСМ (сантиметр–грамм–секунда +
безразмерная единица магнитной проницаемости вакуума), СГСБ
(сантиметр–грамм–секунда + электромагнитная единица силы тока био) и т.д.
Еще одна важная система единиц была принята в конце XIX
века. Это система МКГСС (метр–«килограмм-сила»–секунда),
которую называли «технической», поскольку для практических
целей был удобен размер основной единицы силы — «килограмм-сила».
Применение в один период времени одновременно нескольких систем единиц вводило определенные сложности в процесс
измерения. Требовались пересчеты из одной системы единиц
в другую, применялось много внесистемных единиц.
Поэтому возникла необходимость создания унифицированной системы единиц, которая была бы удобна для практики и охватывала различные области измерений.
Такой системой является утвержденная ХI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году Международная система
единиц (SI), в русской транскрипции — СИ.
Основными достоинствами Международной системы единиц
явились:
– унификация единиц физических величин, когда устраняется
существующее многообразие единиц для одной и той же физической величины и устанавливается для нее одна единица;
– универсальность Международной системы единиц;
– размеры основных и большинства производных единицы,
входящих в Международную достаточно удобны для практического применения.
В нашей стране Международная система единиц применяется
в соответствии с ГОСТ 8.417–2002 «ГСИ. Единицы величин».
Данный стандарт устанавливает единицы физических величин,
применяемые в стране: наименования, обозначения, определения
и правила применения этих величин.
В табл. 2 приведены наименования основных единиц СИ.
Величина
Наименование
Русское
обозначение
Международное
обозначение
Длина
метр м m
Масса
килограмм
кг
kg
Время
секунда с s
Сила электрического
тока
ампер А A
Термодинамическая
температура
кельвин
К
K
Количество
вещества
моль
моль
mol
Сила света
кандела
кд
cd
Таблица 2
Основные единицы СИ
Производные единицы образуются по законам, которые связывают соответствующие величины. Для образования производных единиц используются основные единицы.
В большинстве случаев производные величины носят наименование, включающее наименования исходных величин. Например, единица скорости: метр в секунду.
Некоторым производным единицам были присвоены собственные наименования.
В соответствии с международными рекомендациями по обозначениям единиц физических величин, обозначения единиц,
наименования которых образованы по именам ученых, пишут
с прописной (заглавной) буквы. Например, паскаль — Па, кельвин — К, вольт — В. Остальные единицы обозначают строчными
(малыми) буквами. Например, метр — м, секунда — с и т.д.
В табл. 3 приведены некоторые производные единицы,
имеющие собственные наименования.
Некоторые производные единицы СИ,
Величина
Наименование
единицы
Обозначение
единицы
Выражение через
основные единицы
СИ
Температура
Цельсия
градус
Цельсия
°С
К
Частота
герц
Гц
с–1
Сила
ньютон
Н
мкгс–2
Давление
паскаль
Па
м–1кгс–2
Энергия, работа,
количество теплоты
джоуль
Дж
м2·кг·с–2
Мощность
ватт
Вт
м2кгс–3
Электрическое
напряжение
вольт
В
м2кгс–3А–1
Электрическое
сопротивление
ом
Ом
м
2
кгс–3А–2
Взаимная
индуктивность
генри
Гн
м2·кг·с–2·А–2
Величина
Единица
Масса
тонна, атомная единица массы
Время
минута, час, сутки, секунда, неделя, месяц, год, век
Плоский угол
градус
Объем, вместимость
литр
Частота вращения
оборот в секунду, оборот в минуту
Сила, сила тяжести
килограмм-сила
Давление
килограмм-сила на квадратный сантиметр,
миллиметр водяного столба,
миллиметр ртутного столба, бар
Количество теплоты
калория (межд.), килокалория (межд.)
имеющие собственные наименования
Таблица 3
В настоящее время наравне с единицами СИ допущены
к применению единицы величин, не вошедшие в состав Международной системы единиц.
В табл. 4 приведены некоторые из таких единиц применительно к теплотехническим и физико-химическим измерениям.
Таблица 4
Единицы СИ в теплотехнических и физико-химических
измерениях, допущенные к применению наравне с единицами
Международной системы единиц
Для обозначения физических величин рекомендуется приме-
Величина
Основное
обозначение
Запасное
обозначение
Вес G P, Q
Время
t
Высота
H, h
Давление p
Диаметр
D, d
Длина
L, l
Коэффициент динамической вязкости
ŋ
Коэффициент кинематической вязкости
Коэффициент линейного расширения
α
β
Коэффициент объемного расширения
β
α
Масса m
Объем V
Плотность
Площадь
F или S
Сила
P, F, Q, R
Скорость линейная
v
w, u
Температура
t
Абсолютная температура
T
Частота
f
нять буквы латинского или греческого алфавита прописные (заглавные), либо строчные (малые).
Обозначения единиц применяют только после числового значения величин, в заголовках граф, наименованиях строк таблиц,
в пояснениях обозначений величин в формулах. Обозначения
единиц помещают строку с числовым значением величины, без
переноса на следующую строку. Между последней цифрой и обозначением оставляется пробел.
В табл. 5 приведены обозначения некоторых из величин,
применяемых в теплотехнических и физико-химических измерениях.
Таблица 5
Обозначения некоторых единиц физических величин
Если числовое значение величины выражается числом
с большим количеством значащих цифр, то для удобства использования такого значения можно применить множители, увеличивающие или уменьшающие числовое значение в 10 в положи-
тельной или отрицательной степени раз.
Множитель
Наименование
приставки
Русское
обозначение
Международное
обозначение
109
гига
Г
G
106
мега
М
M
103
кило
к
k
102
гекто
г
h
101
дека
да
da
10–1
деци
д
d
10–2
санти
с
c
10–3
милли
м
m
10–6
микро
мк
10
–9
нано
н
n
Получаемые при этом единицы величин называют кратными
или дольными. В табл. 6 приведены наиболее часто применяемые
множители и приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований.
Таблица 6
Множители и приставки для кратных и дольных единиц
физических величин
Наименование и обозначение кратных и дольных единиц
производят по определенным правилам.
Если наименование исходной единицы состоит из одного
слова, то приставку пишут слитно с наименованием.
Например:
Исходная единица — паскаль, кратная — мегапаскаль
1 МПа = 106 Па.
Или исходная единица — метр, дольная — миллиметр
1 мм = 10–3 м.
Если кратная или дольная единица представляет собой степень исходной единицы, то наименование такой единицы составляется из приставки, присоединенной к наименованию основной
единицы. Например:
исходная единица площади «квадратный метр»,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]