Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_1529_Библиотеки_им_академика_М_И_Перельмана.pdf
преобразовании фунта (британская имперская система единиц
измерения) и ньютона (метрическая система единиц) 23 сентября
1999 года разбилась орбитальная станция по изучению климата
«Марс». Этот космический аппарат стоил 610 млн. евро (Источник:
НАСА).
Чтобы положить конец этой путанице, ученые из многих стран
собирались на конференции, вели долгие дискуссии, пока, наконец, в
1960 году не была предложена новая система единиц, принятая
сегодня во всем мире, — Международная система единиц СИ (СИ=
Система интернациональная весов и мер).
В представленной ниже таблице приведены основные вопросы,
касающиеся количественной оценки окружающего мира. Для
каждого из них дан параметр, о котором спрашивается, и добавлена
единица СИ, которой он измеряется. Более подробную информацию о
системе СИ Вы можете найти в Приложении 2.
Таблица
Основные вопросы, касающиеся количественной оценки мира
Вопрос
Параметр
Единица (СИ)
Сокращение
Какова его длина?
Длина
метр, сантиметр
м, см, мм
Какова его
площадь?
Площадь
квадратный метр,
квадратный
сантиметр
м
2
,
см
2
Сколько вещества?
Масса
килограмм, грамм
кг, г
Что вызывает
движение?
Сила
Ньютон
Н
Сколько он весит?
Вес
Ньютон
Н
Какая сила
действует на
единицу площади?
Давление
ньютон/квадратный
метр,
паскаль, бар
Н/м
2
,
Па, бар
Сколько времени
это занимает?
Время
Секунда
с
Насколько это
горячо?
Температура
Кельвин,
градус Цельсия
K,
°C
Сколько энергии
было затрачено?
Энергия,
теплота
Джоуль
Дж
В этой книге мы используем единицы системы СИ. В таблице,
приведенной в Приложении 2, Вы найдете информацию о системах
179
единиц — британской системе и старой системе метр-килограмм-
секунда (система МКС, которая была принята Генеральной
конференцией мер и весов в 1889 году).
Для контроля стерилизации нам приходится измерять важные
для этого процесса параметры: давление, температуру и время. Время
измеряется в минутах и часах. Это не вызывает путаницы.
Труднее обстоят дела с давлением и температурой. Поэтому
рассмотрим их более детально. Чтобы понять, что такое давление,
нужно иметь ясное представление о массе, весе и силе. Поэтому
рассмотрим эти понятия первыми.
5.1.2.
Масса, вес и сила
Масса (в формулах масса обозначается буквой m) предмета —
это количество вещества, которое он содержит. Единица массы —
килограмм . Масса неизменна, где бы ни находился предмет: на
Земле, на Луне или в космическом пространстве. Брусок железа
массой в 1 кг имеет одну и ту же массу, как на Земле, так и где-
нибудь в глубинах космоса. Количество вещества неизменно.
Все предметы на земле притягиваются к земле силой гравитации.
Вес предмета — это вызванная гравитацией сила, с которой этот
предмет давит на все, на чем он свободно лежит. Единица силы (в
формулах сила обозначается буквой F.) — ньютон (Н).
На Земле вес массы в 1 килограмм составляет около 10 Н.
Человек имеет одну и ту же массу на Земле, в космосе и на Луне.
Однако его вес в этих местах будет разным: человек массой в 65 кг на
Земле будет весить 650 Н (вес предмета на Земле в 6,131 раз больше
его веса на Луне или так: вес предмета на Луне равняется 0,163 от его
веса на Земле), на Луне — 105 Н, а в открытом космосе у него вовсе
не будет веса (0 Н). Он будет просто парить.
Таким образом, масса тела везде одинакова. Вес тела зависит от
места, где он находится.
5.1.3.
Давление
Давление (в формулах давление обозначается буквой P) на
предмет — это сила, действующая перпендикулярно на единицу
площади. Например, давление на квадратный сантиметр (см
2
) или на
квадратный метр (м
2
). В Международной системе мер и весов (СИ)
180
единицей давления является ньютон на квадратный метр (Н/м
2
), или
паскаль (Па). 1 Н/м
2
= 1 Па.
Пример:
Брусок из некоего материала размером 8×2×1 см имеет массу 160
г = 0,160 кг. Его вес будет 0,160×10=1,6 Н. Если положить брусок на
стол большой поверхностью вниз, то на поверхность стола вес
придется 8×2 = 16 см
2
. Сила, действующая на каждый см
2
, составит
1,6/16 = 0,1 Н, то есть давление составляет 0,1 Н на см
2
= 1000 Н/м
2
=
1000 Па.
Стоящий (на своей малой поверхности) брусок оказывает
давление в 8 раз большее, чем когда он лежит (на своей большой
поверхности). Но когда брусок стоит на своей малой грани, тот же
вес приходится на площадь всего 2×1 = 2 см
2
. Теперь сила,
действующая на каждый см
2
, составит 1,6/2 = 0,8 Н. Итак, давление
будет 0,8 Н/см
2
= 8000 Н/м
2
= 8000 Па. Следовательно, давление
будет в 8 раз больше.
Рис. Стоящий (на своей малой поверхности) брусок оказывает
давление в 8 раз большее, чем когда он лежит (на своей большой
поверхности
181
5.1.3.1.Атмосферное давление
Наша Земля окружена толстым слоем воздуха. Его называют
атмосферой (атмос - пар; сфера- шар). Подобно всему остальному,
воздух — это вид материи; у него есть масса, и он, таким образом,
тоже притягивается к Земле, то есть имеет определенный вес. Столб с
площадью основания 1 см
2
от поверхности земли до края атмосферы
имеет массу 1 кг и действует на этот квадратный сантиметр с силой
примерно 10 Н.
Итак, воздух оказывает давление 10 Н/см
2
, или 100 000 Н/м
2
=
100 000 Па= 100 кПа. Мы называем это атмосферным давлением. Для
атмосферного давления используется также единица бар: 1 бар = 100
000 Па. Это примерно то же давление, которое оказывает столб воды
высотой 10 метров.
Атмосферное давление действует на все на Земле. Поверхность
стола площадью 1 м
2
= 100 x 100 = 10 000 см
2
. Общая сила составит
10 000 × 10 Н= 100 000 Н. Но он не ломается, так как-то же давление
действует на стол со всех сторон, в том числе снизу. Если можно
было бы откачать воздух снизу, то стол непременно был бы сломан
этой колоссальной силой.
Атмосфера Земли производит давление примерно 10 Н/см
2
=1
бар (на уровне моря) и действует на все, что находится здесь, внизу.
Она простирается над поверхностью земли на высоту примерно 1000
км. Возле земли воздух самый плотный из-за веса воздуха,
находящегося выше. Чем выше, тем разреженнее становится
атмосфера. Между атмосферой и космосом нет четкой границы.
Если высосать из сосуда воздух, то давление внутри сосуда будет
ниже атмосферного давления. Когда весь воздух будет высосан,
внутри образуется вакуум (вакуум = «пустой»). В космосе воздуха
нет. Нет ничего, что производило бы давления. Поэтому там вакуум.
Давление в вакууме равно 0 Па.
Если высасывать воздух из пластиковой бутылки, то в какой-то
момент она деформируется под действием огромного атмосферного
давления, действующего только снаружи.
5.1.3.2.
Абсолютное давление
Обычно в научном контексте давление в сосудах сравнивают с
ситуацией в космосе, где давления нет вовсе (абсолютный вакуум).
Это давление называют абсолютное давление. Величины
182
абсолютного давления обозначают с подстрочным знаком
абс
.
Например, 2 бар
абс
или2 бар
a
. В этой книге, если при величине нет
подстрочного знака, она показывает абсолютное давление. Единица
абсолютного давления — Па или кПа (1 кПа= 1000 Па) или бар (1
бар= 100 кПа). Атмосферное давление составляет около 1,013 бар
абс
≈100кПа.
5.1.3.3.
Относительное давление
В повседневной жизни, когда мы разговариваем о давлении в
сосудах, мы подразумеваем давление, производимое помимо
постоянно существующего атмосферного давления. То есть на самом
деле мы говорим о давлении, когда давление внутри сосуда выше
атмосферного давления. Таким образом, мы говорим, что в открытом
сосуде нет (более высокого или более низкого) давления.
Давление в сосуде соотносится (сравнивается) с давлением вне
его; разница этих двух давлений и есть относительное давление
(соотносится с атмосферным давлением). Следовательно, давление
ниже атмосферного давления считается отрицательным давлением.
В некоторых литературных источниках любое давление, которое
ниже атмосферного давления, называют вакуумом. В научном
контексте точность измерения относительного давления
недостаточна, так как оно зависит от атмосферных условий: погоды.
В таких ситуациях измеряют абсолютное давление. Относительное
давление называют также эффективным давлением.
Стандартные манометры обычно показывают
относительное
давление, как правило, в барах. Поскольку относительное давление
—
это давление сверх атмосферного давления, то ноль (0 бар
g
) на
шкале такого манометра — это примерно 1,013 бар
абс
≈100 кПа.
При абсолютном вакууме такой манометр покажет –1 бар.
Иногда кПа используют в качестве единицы относительного
давления: 0 кПа
абс
= –100 кПа
отн
= –1 ба
отн.
В этой книге кПа используется как единица абсолютного
давления. 89. В английской литературе относительное давление
называют также манометрическим давлением 90: давление,
показываемое стандартным манометром, установленным, например,
на системе парового отопления.
В манометрах для абсолютного давления обычно используются
единицы Па. На таком манометре абсолютный вакуум будет показан
как 0 кПа; атмосферное давление будет показано как 100 кПа.
183
Рис. Сравнение абсолютного и относительного давления. В данном
примере абсолютное давление в реципиенте составляет: Па = Р
r
+ 1=
2 + 1 = 3 бар
a
= 300 кПа.
Рис. Повышение давления в реципиенте: 0 кПа (вакуум), 100 кПа
(атмосферное давление), 200 кПа и 300 кПа. Давление в реципиенте
указано как абсолютное и относительное давление.
184
5.1.3.4.
Другие единицы давления
Ранее употреблялось много единиц. Некоторые старые единицы
могут до сих пор использоваться в манометрах нашего оборудования.
Их также можно найти в старой литературе:
В старой системе метр-килограмм-секунда (МКС) единицей силы
был килограмм. Таким образом, единица давления обозначалась кг/м
2
или кг/см
2
или г/см
2
.
1 кг/см
2
= 100 000 Па = 100 кПа
Основные единицы старой британской системы:
Параметр
Единица
Сокращение
(англ.)
Перевод в систему СИ
Сила
Фунт
lb
1 фунт = 0,45 кг = 4,5 Н
Длина
Дюйм
in
1 дюйм = 2,54 см
Площадь
квадратный
дюйм
in
2
1 дюйм
2
= 6,45 см
2
Иногда кПа используют в качестве единицы
относительного
давления:
0 кПа
абс
= –100 кПа
отн
= –1 бар
отн
. В этой книге кПа используется
как единица абсолютного давления.
Значения относительного давления обозначаются подстрочным
знаком
g
(от английского слова gauge – зд. манометр). Например, 2
бар
g
. В научной литературе используются также подстрочные знаки
e
(эффективный)
отн
или
r
(англ. relative — относительный). Например,
2 бар
e
, 2 bar
отн
или 2 бар
r
.
Таким образом, единица давления в британской системе — это
фунт на квадратный дюйм (англ.— lb/in
2
)
1 фунт на квадратный дюйм(PSI) = 0,0697 кг/см
2
= 6,89 кПа.
100 000 Па = 14,22 фунта на квадратный дюйм
(PSI)
(атмосферное давление)
Единицы PSI вы найдете на манометрах на старом британском и
американском оборудовании.
Еще использовали единицу атмосфера (атм.). Она использовалась
и как абсолютная единица, и как относительная единица.
- Использование в качестве абсолютной единицы
для
атмосферного давления — 1атм.
1 атм. = 100 кПа
вакуум = 0 атм. = 0 Па
185
-
Использование в качестве относительной
единицы:
атмосферное давление - 0 атм.
0 атм. = 100 кПа
вакуум = –1 атм. = 0 Па
Чтобы отличить давление в сосуде от нормального атмосферного
давления, используется обозначение атм. (атмосфера избыточного
давления).
-
Давление газов при низком давлении часто обозначают как
число сантиметров водного столба, который оно может поднять.
Подъем воды на каждый сантиметр соответствует величине,
равной 100 Па(0,01 Н/см
2
). Например: давление газа в газовой плите
должно быть около 8–20 см водного столба (например, 11 см H
2
O;
H
2
O — это химическая формула воды).
Примечание: в старой системе МКС: 1 см H
2
O = 1 г/см
2
)
-
Для измерения кровяного давления используется ртуть.
Давление выражается как число миллиметров, на которое может
быть поднят ртутный столб. В прошлом атмосферное давление также
измерялось в миллиметрах ртутного столба. Каждый миллиметр
подъема ртути равен давлению1360 Па (0,136 Н/см
2
) или13,6 см H
2
O.
5.1.4.
Температура и теплота
Проведем следующий эксперимент:
Возьмем кастрюлю и нальем в нее около 1 литра воды. Зарывать
крышкой не будем. Если у Вас найдется термометр, с помощью
которого можно измерять температуру до 110°C, положите его в
кастрюлю. Затем поставим кастрюлю на огонь и станем внимательно
следить, что будет происходить до того, как вода закипит. В
следующих разделах мы более внимательно рассмотрим, что бывает
при закипании воды.
В кастрюле с водой, стоящей на огне, температура
воды
постоянно повышается: тепловая энергия переносится от огня к воде.
Теперь рассмотрим разницу между температурой воды и количеством
переданного водой тепла.
5.1.4.1.
Температура
Температура — это уровень жара. Температура выражается в
градусах Цельсия(°C). Температура таяния льда составляет 0°C,
температура кипения воды(на уровне моря) — 100°C.
186
В некоторых странах (например, в США) используется другая
единица температуры — градус Фаренгейта (°F). В науке
официальная единица измерения температуры — кельвин (K). В
системе СИ единицей измерения температуры также является K.
В Приложении 3 Вы найдете таблицы перевода °C в °F и K и
наоборот.
Рис. Температура таяния льда — 0°С, кипения воды — 100°С.
5.1.4.2.
Теплота
Теплота — это вид энергии. Это физическая величина, так же
как свет или электричество. Многие химикаты, такие как нефть,
также содержат определенное количество энергии. Они могут
совершать работу.
Двигатель работает благодаря тому, что топливо, взрываясь
внутри цилиндра, воздействует на поршень, заставляя его двигаться,
в свою очередь, поршень приводит во вращательное движение
коленчатый вал: горючее/воздух (химическая энергия) → теплота
и сила → механическая энергия.
187
На самом деле все, что происходит во Вселенной, а,
следовательно, и на Земле, включает превращение одного вида
энергии в другие виды энергии. Великий ученый Альберт Эйнштейн
показал, что даже сама материя — тоже вид энергии. Но мы будем
рассматривать тепловую энергию.
5.1.4.2.1.
Теплосодержание
При нагревании нашей кастрюли с водой тепловая энергия
пламени переносится на кастрюлю и воду. Через некоторое время
вода нагреется, станет содержать некоторое количество теплоты. Это
количество — теплосодержание — зависит от следующих факторов:
a.
температуры;
b.
количества воды;
c.
нагреваемого материала (в нашем случае — воды).
Рассмотрим каждый из факторов внимательнее:
a.
Температура
Очевидно, что количество теплоты, необходимое для повышения
температуры с 0°C до 100°C, будет вдвое больше количества, которое
требуется для повышения температуры с 50°C до 100°C.
b.
Количество воды
Если кастрюля большая и нагревать воды надо много, то
потребуется больше времени, чем когда воды немного. Для
нагревания с 50°C до 100°C одного литра воды нужно вдвое больше
количества тепла, чем для нагревания полулитра воды.
c.
Вид материала
Нагревая различные материалы, можно заметить, что для
повышения температуры до определенного уровня в каждом случае
требуется разное количество тепла.
Чтобы повысить температуру 1 кг меди на 1°C, нужно меньше
теплоты, чем для нагрева до той же температуры железа. Для
повышения температуры воды на 1°C требуется еще больше теплоты.
Единица теплоты — это джоуль (Дж).
В системе единиц СИ джоуль определяется как работа,
производимая, когда под действием силы в 1 ньютон (Н)
производится движение на 1 м (м) в направлении приложения силы.
188