戴孝華/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

第一講 壓力定義及其計(jì)量單位

1 壓力的定義

1.1 一般定義

壓力一般定義是：垂直作用并均勻分布在單位面積上的力。從字面上看，定義用字不多，很簡(jiǎn)單；從另一面講，是精煉，是對(duì)壓力含義的高度概括。所以，在解讀壓力定義的時(shí)候，要著重理解其中兩個(gè)重要因素，即力的垂直性和分布的均勻性，這兩個(gè)重要的因素是從事壓力計(jì)量和測(cè)試的出發(fā)點(diǎn)。

壓力定義的科學(xué)性和可操作性還反映在可用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式表示：

式中：p — 產(chǎn)生的壓力；

F — 垂直作用力；

S — 承受作用力的單位面積由式（1）可以清楚地看出：壓力的大小決定于作用力和受力面積的大小。壓力的大小與作用力成正比，作用力大壓力大，作用力小壓力小；壓力大小與受力面積成反比，受力面積大壓力小，受力面積小壓力大。活塞式壓力計(jì)是實(shí)現(xiàn)式（1）的最理想的壓力計(jì)量?jī)x器。

提示1：壓力在物理學(xué)上通常稱為壓強(qiáng)。

提示2：根據(jù)我國(guó)法定計(jì)量單位規(guī)定，式（1）中的壓力符號(hào)p 是用小寫斜體英文字母。不得使用符號(hào)大P字母。

1.2 廣義定義

前面介紹了壓力的一般定義，但在實(shí)際工程技術(shù)中常常需要使用到壓力的廣義定義。

現(xiàn)在假設(shè)有一任意平面S，如圖1所示，它的法線方向?yàn)閚 — n，即n — n垂直面積S。有一任意方向的作用力F，與法線n — n的夾角為α，因此，作用力F在法線方向上的分力Fn大小為：

圖1 壓力廣義定義示意圖

根據(jù)壓力一般定義，作用力F垂直作用在面積S上產(chǎn)生的壓力為

可見，由式（3）所獲得的壓力p′比式（1）獲得的壓力p要小，壓力減小的程度取決于夾角α的大小，α越大、p′越小，α越小、p′越大。因此，在檢定或校準(zhǔn)壓力表時(shí)，通常要求壓力表要垂直安裝；在活塞式壓力計(jì)的檢定規(guī)程中，對(duì)活塞的安裝位置也提出了垂直度的要求。道理就在這里。

壓力的定義是設(shè)計(jì)、制造、使用、計(jì)量壓力儀器儀表的依據(jù)，在壓力計(jì)量的實(shí)踐中應(yīng)全面、深入理解壓力定義的含義、并用它來指導(dǎo)壓力計(jì)量技術(shù)工作和計(jì)量檢定工作。

1.3 常用壓力定義及其相互關(guān)系

1.3.1 幾種常用的壓力定義

（1）大氣壓力

地球表面大氣層的空氣柱重力產(chǎn)生的壓力。通常以符號(hào)pb表示。

提示：大氣壓力隨著海拔高度和地理緯度的不同而變化。

（2）絕對(duì)壓力

以完全真空為參考點(diǎn)的壓力。通常以符號(hào)pa表示。

（3）差壓[力]

任意兩個(gè)相關(guān)壓力的差值。通常以符號(hào)pd表示。

（4）表壓力

以大氣壓力為參考點(diǎn)，大于或小于大氣壓力的壓力。

（5）正[表]壓力 （又稱 壓力）

以大氣壓力為參考點(diǎn)，大于大氣壓力的壓力。通常以符號(hào)p表示。

（6）負(fù)[表]壓力（又稱負(fù)壓）

以大氣壓力為參考點(diǎn)，小于大氣壓力的壓力。通常以符號(hào)ph表示。

（7）靜態(tài)壓力

在所研究的領(lǐng)域內(nèi)，不隨時(shí)間而變化或隨時(shí)間緩慢變化的壓力。

（8）動(dòng)態(tài)壓力

在所研究的領(lǐng)域內(nèi)，隨時(shí)間而變化的壓力。

（9）脈動(dòng)壓力

隨時(shí)間而作周期性變化的壓力。

（10）真空度

表示真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度，通常也用壓力值表示。

1.3.2 幾種常用壓力的相互關(guān)系

如圖2所示，用一只壓力容器與一臺(tái)U形管壓力計(jì)相連通的裝置，來說明幾種常用壓力之間的關(guān)系：

圖2 幾種靜態(tài)壓力的相互關(guān)系

圖2（a）的狀態(tài)是壓力容器與大氣相通，而U形管也與大氣相通，兩者都受大氣壓力的作用，當(dāng)壓力平衡時(shí)，U形管兩邊工作介質(zhì)兩端面處于同一水平面O - O上，即pb= pb，所以，通常大氣壓力pb是用氣壓計(jì)來測(cè)量的。

圖2（b）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對(duì)壓力大于大氣壓力，使左邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)下降，而右邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)上升。當(dāng)壓力平衡時(shí)，在U形管內(nèi)形成了液位差h1，在同一水平面O - O上壓力相等，所以，絕對(duì)壓力pa等于大氣壓力pb與正[表]壓力p (p =ρg h1)之和，即pa= pb+ p， 又有p = pa-pb。由此可知，由壓力表測(cè)量的壓力是大于大氣壓力的正[表]壓，又稱為壓力。

圖2（c）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對(duì)壓力小于大氣壓力，使左邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)上升，而右邊管子內(nèi)的工作介質(zhì)下降。當(dāng)壓力平衡時(shí)，在U形管內(nèi)形成了液位差h2，在同一水平面O - O上壓力相等，所以，絕對(duì)壓力pa等于大氣壓力pb與負(fù)[表]壓力p ( p = ρ gh2)之差，即 pa= pb- ph，又有 ph= pb- pa。由此可知，由真空表所測(cè)量的壓力是小于大氣壓力的負(fù)[表]壓，又稱為負(fù)壓。

圖2（d）的狀態(tài)是壓力容器內(nèi)的絕對(duì)壓力pa等于大氣壓力pb，即 pa= pb，所以，U形管內(nèi)工作介質(zhì)兩端面處于同一水平面O - O上。這是圖2（a）狀態(tài)的特殊形式，由氣壓計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

1.3.3 幾種常用靜態(tài)壓力之間的相互位置關(guān)系，如圖3所示

圖3 大氣壓力、絕對(duì)壓力、表壓力相互位置關(guān)系

2 壓力計(jì)量

壓力計(jì)量是實(shí)現(xiàn)壓力單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確、可靠、一致而進(jìn)行的壓力計(jì)量活動(dòng)。所謂活動(dòng)，包括技術(shù)工作、法制要求、計(jì)量管理等內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)壓力單位統(tǒng)一，就是在我國(guó)統(tǒng)一實(shí)行法定計(jì)量單位。量值的準(zhǔn)確，是指量值準(zhǔn)確在一定的不確定度、誤差極限或允許誤差范圍內(nèi)；量值的可靠，是指量值是可重復(fù)、可再現(xiàn)（復(fù)現(xiàn)）、可比較的，是被確認(rèn)為具有有效性的；量值的一致，就是量值不僅在國(guó)內(nèi)是一致的，在國(guó)際上進(jìn)行量值比對(duì)時(shí)也是一致的。

3 壓力計(jì)量單位及其換算

由前面壓力定義可知，壓力大小決定于作用力大小和承受作用力面積大小。因此，壓力單位是一個(gè)導(dǎo)出單位，它是由力的單位和面積單位組合而成的單位。下文介紹壓力的法定單位和幾種常用的非法定計(jì)量單位及它們之間的換算關(guān)系。

3.1 壓力法定計(jì)量單位

1969年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）通過一項(xiàng)決議，建議給壓力一個(gè)專門單位“牛頓每平方米”（N/m2）。這就是國(guó)際單位制單位中具有專門名稱的導(dǎo)出單位“帕斯卡”（Pascal），符號(hào)為Pa。經(jīng)過1971年第十四屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）批準(zhǔn)，正式規(guī)定壓力計(jì)量單位為帕斯卡。其目的是為了紀(jì)念法國(guó)科學(xué)家布萊斯·帕斯卡的功績(jī)，這就是國(guó)際單位制單位中壓力計(jì)量單位帕斯卡的由來。

壓力計(jì)量單位帕斯卡的物理意義是：1 N（牛頓）的重力垂直并均勻地作用在1 m2的面積上產(chǎn)生的壓力為1 Pa。由于Pa表示的量值過小，使用時(shí)可以在前面加詞頭，如k(千)、M（兆）、G（吉）等，可根據(jù)測(cè)量壓力的大小選擇GPa、MPa、kPa作計(jì)量單位。

帕斯卡在國(guó)際單位制中的量綱表示如下：

3.2 由物理學(xué)的絕對(duì)單位制形成的三種壓力單位

3.2.1 米·千克·秒制（MKGS制）

在米·千克·秒單位制中，力的單位是牛頓（簡(jiǎn)稱牛，符號(hào)N），面積的單位是平方米（m2），因此，壓力單位是 牛頓 / 平方米（N/m2）。

1 N的物理意義：使質(zhì)量為1 kg 的物體產(chǎn)生1 m/s2加速度的力，稱為1 N。

3.2.2 厘米·克·秒制（CGS制）

在厘米·克·秒單位制中，力的單位是達(dá)因（dyn），面積的單位是平方厘米（cm2），因此，壓力單位是 達(dá)因 / 平方厘米（dyn/cm2）。

1 dyn的物理意義：使質(zhì)量為1 g 的物體產(chǎn)生1 cm/s2加速度的力，稱為1 dyn。

壓力單位達(dá)因 / 平方厘米又稱為巴利（barye）或微巴（μbar），1 μbar = 10-3mbar = 10-6bar。在氣象學(xué)中，曾用毫巴（mbar）做大氣壓力單位，現(xiàn)在已用百帕（hPa）做計(jì)量單位。

3.2.3 米·千克力·秒制（MKGFS制）

在米·千克力·秒單位制中，力的單位是千克力（kgf），面積的單位是平方米（m2），因此，壓力單位是 千克力/平方米（kgf/m2）。

3.3 由歷史條件形成的幾種壓力單位

3.3.1 工程大氣壓 － 來源于壓力定義

工程大氣壓的單位為kgf / cm2，符號(hào)為at，沒有專門名稱，定義是1 kg f 垂直并均勻地作用在1 cm2面積上產(chǎn)生的壓力。這是在法定計(jì)量單位使用前應(yīng)用最多的壓力單位。

1 kg f 的物理意義：使質(zhì)量為1 kg 的物體，產(chǎn)生9.806 65 m / s2加速度的力。

1 kg f ＝ 9.806 65 kg·m / s2＝ 9.806 65 N

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 － 來源于大氣壓力

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的單位為Pa，符號(hào)為 atm，沒有專門名稱，定義是水銀（汞）在溫度為0℃、密度為13.595 1 g /cm3、重力加速度為980.665 m / s2時(shí)，760 mm高的汞柱在海平面上產(chǎn)生的壓力稱為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力又稱為物理大氣壓力。

由于大氣壓力隨海拔高度、地理緯度的不同而變化，為了方便工程技術(shù)和科學(xué)研究中的使用，科學(xué)工作者對(duì)大氣壓力規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力值，1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)定義：

3.3.3 毫米汞柱 － 來源于液體高度

毫米汞柱的單位為mmHg，符號(hào)為mmHg，沒有專門名稱，定義是水銀在溫度為0 ℃、密度為13 595.1 kg/m3、重力加速度為9.806 65 m /s2時(shí)，1 mm高的汞柱產(chǎn)生的壓力稱為1 mmHg。

3.3.4 毫米水柱 － 來源于液體高度

毫米水柱的單位為mmH2O，符號(hào)為mmH2O，沒有專門名稱，定義是水在溫度為4℃、密度為1 000 kg /m3、重力加速度為9.806 65 m / s2時(shí)，1 mm高的水柱產(chǎn)生的壓力稱為1 mmH2O。

3.3.5 英制壓力單位－磅力 / 英寸2

磅力 / 英寸2的單位為 bf / in2或 簡(jiǎn)寫為 psi ，沒有專門的名稱，定義是1 bf垂直并均勻地作用在1 in2面積上產(chǎn)生的壓力。

1 bf 的物理意義：就是使1 b的物體，產(chǎn)生320 174 ft / s2加速度的力為1 bf。

3.4 壓力計(jì)量單位的換算關(guān)系

見表1。

表1 常用壓力計(jì)量單位換算