III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
IX.1 Khái niệm cơ bản
Đo áp suất là một quá trình đo quan trọng trong nhiều lĩnh vực kĩ thuật, đặc biệt trong việc nghiên cứu động cơ đốt trong. Người ta gọi ứng suất tác dụng lên chất khí, chất lỏng là áp suất. Về mặt vật lí thì áp suất có định nghĩa như sau: Áp suất là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích.
p F
= S
Như vậy muốn xác định áp suất phải xác định lực tác dụng lên một diện tích đã cho.
Cho nên một lực tuy nhỏ nếu tác dụng lên một diện tích rất nhỏ sẽ cho một áp suất rất lớn.
Ở trong chất lỏng và chất khí áp suất được phân bố đều đặn mọi nơi, mọi hướng.
Phương tác dụng của áp suất luôn luôn vuông góc với mặt phẳng phân chia – mặt giới hạn của nó. Dưới tác dụng của trọng lực (lực hút của trái đất) nên áp suất ở một lớp nào đó của chất lỏng ở trong bình chứa không phải chỉ riêng có lực tác dụng bên ngoài lên lớp chất lỏng đó mà còn có phần trọng lực của cột chất lỏng phía trên nó.
Ví dụ trong bình chứa nước ở mặt trên của nó có áp suất p. Ở mặt AB có độ sâu h (hình 9.1) áp suất lớn hơn ở mặt thoáng một đại lượng bằng trọng lượng của cột chất lỏng ở phía trên của tiết diện AB, ta có:
AB
A.h. .g
p p gh
p A
= + ρ = + ρ
trong đó: A – diện tích tiết diện AB;
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng;
g – gia tốc trọng trường;
p – áp suất của nước lên mặt thoáng;
pAB – áp suất nước ở lớp AB.
Song chúng ta cần lưu ý rằng khối lượng riêng của chất khí thường rất nhỏ cho nên sai số sinh ra bỏ qua đại lượng ρgh trong quá trình đo áp suất của các chất khí là không đáng kể. Thường người ta bỏ qua đại lượng này.
Người ta sử dụng hiện tượng giảm trọng lượng riêng của cộng không khí khi chiều cao tăng để qua việc đo áp suất mà xác định được chiều cao.
Theo công thức về độ cao phong vũ biểu:
Hình 9.1: Áp suất trong bình chứa chất lỏng.
h2 – h1 = (18,4 – 0,667tm) lg(pb1/pb2)
thì sự khác nhau về độ cao h1 và h2 là tỷ lệ với logarit của tỷ số áp suất, ở đây pb1 và pb2 là áp suất của cột không khí theo 0C.
Hình 9.2 chỉ ra sự giảm của áp suất không khí; nhiệt độ trung bình và khối lượng riêng của không khí khi chiều cao tăng.
Trong lí thuyết về động học của chất lỏng đã giải
thích rằng tác dụng của áp suất lên thành bình là do sự va đập của các phân tử chất lỏng bởi sự chuyển động
thường xuyên liên tục của nó. Trong quá trình va chạm những phân tử đo bị thay đổi tốc độ của chúng về trị số cũng như hường, nhưng thành bình lại trả lại cho chất lỏng một năng lượng chính bằng năng lượng đã nhận của các phân tử chất lỏng ở trên. Chính vì vậy tổng số năng lượng của khối chất lỏng là không đổi. Giải thích trên có thể xem xét một cách khái quát rằng: Lực tác dụng của áp suất lên thành bình là sự xem xét có tính vĩ mô và có tính tĩnh học còn nếu xem xét một cách vi mô thì có tính động học. Vì năng lượng chuyển động của các phần tử là tỷ lệ với nhiệt độ nên cùng một thể tích áp suất sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại.
Phương trình trạng thái của chất khí lí tưởng có dạng:
pV = m.R.T p = ρ.R.T trong đó: p – áp suất;
V – thể tích;
m – khối lượng;
R = 848/M; M là trọng lượng phân tử;
T – nhiệt độ tuyệt đối;
ρ – khối lượng riêng.
Hình 9.2: Nhiệt độ trung bình t, áp suất không khí p0 và khối lượng riêng ρ0 phụ thuộc vào
chiều cao.
Trong thực tế của chất khí thường dùng không tuân theo một cách đầy đủ giả thiết của chất khí lí tưởng song phương trình trên vẫn được sử dụng trong thực tế. Khi đó người ta đưa vào một hằng số để hiệu đính sai lệch đó.
IX.1.1 Đơn vị đo áp suất
Trong khoa học kĩ thuật khái niệm về áp suất được sử dụng rộng rãi cho nên đơn vị của nó phải được lưu tâm qui định một cách chính xác. Trên thực tế hiện nay còn sử dụng một số hệ đơn vị sau:
IX.1.1.1 Đơn vị đo áp suất theo vật lí
- Ở hệ CGS (chiều dài là centimet, đơn vị khối lượng là gam, đơn vị thời gian là giây).
Ta có đơn vị lực là DYN, đơn vị áp suất sẽ là dyn/cm2 1 dyn/cm2 = 1 microbar 106 microbar = 103 milibar = 1 bar
- Ở hệ MKS (đơn vị chiều dài là met, đơn vị khối lượng là kilogam, đơn vị thời gian là giây).
Ta có đơn vị lực là N (Newton), đơn vị áp suất sẽ là N/m2 1 N/m2 = 10-5 bar
IX.1.1.2 Đơn vị áp suất theo phong vũ biểu
Đơn vị áp suất theo phong vũ biểu là đơn vị đo áp suất tính theo milimet chiều cao của cột thủy ngân. Áp suất của không khí cũng thường được đo bằng chiều cao của cột thủy ngân tính theo milimet. Muốn qui dẫn, đo và tính một cách chính xác các chỉ tiêu đều cần phải qui về điều kiện tiêu chuẩn. Trong việc đo áp suất bằng chiều cao của cột thủy ngân thì các thông số quan trọng cần phải được xác định là:
- Gia tốc trọng trường chuẩn là gn = 9,80665 m/s2 - Nhiệt độ chuẩn là t = 00C
- Khối lượng riêng của thủy ngân ρHg = 13,5951 g/cm3.
Trong các điều kiện chuẩn đó thì đơn vị áp suất phong vũ biểu sẽ là:
1 mm Hg (chiều cao) ở 00C = 1 Torr
760 Torr = 1 atm (atmosphe vật lí)
750,062 Torr = 1 bar
Theo qui ước quốc tế thì atmosphe vật lí [atm] được sử dụng là đơn vị áp suất tiêu chuẩn.
IX.1.1.3 Đơn vị đo áp suất phi tiêu chuẩn
Các đơn vị này chỉ tồn tại trong tài liệu cũ, nhiều ngành khoa học kĩ thuật không còn sử dụng nữa. Tuy nhiên, thực tế vẫn còn một số lĩnh vực còn đang sử dụng đơn vị này.
Người ta có định nghĩa atmosphe kĩ thuật như sau:
1 kG/cm2 = 1 at
1 kG/m2 = 1 mm chiều cao cột nước = 10-4 at 735,56 Torr = 1 at
Có thể thấy rằng đơn vị áp suất 1 kG/m2 rất gần với áp suất của cột nước là 1 mm chiều cao ở 40C và gia tốc trọng trường tiêu chuẩn nên trong thực tế người ta cũng sử dụng milimet chiều cao của cột nước để đo áp suất một cách rộng rãi.
Ở bảng 9.1 cho chúng ta cái nhìn tổng quát về các đơn vị đo áp suất. Trong bảng còn cho thêm hệ đơn vị áp suất của Anh.
IX.1.2 Các khái niệm áp suất
Trên hình 9.3 thể hiện các khái niệm áp suất như sau:
- pa là áp suất tuyệt đối hay áp suất toàn phần
- p là áp suất dư tức là phần áp suất lớn hơn áp suất khí trời
- pkk là áp suất khí trời hay áp suất phong vũ biểu.
- pt là áp suất thiếu tức là phần áp suất nhỏ hơn áp suất khí trời.
Từ các khái niệm trên có thể dễ dàng nhận thấy:
pa = pkk + p hoặc
pa = pkk - pt
Có thể diễn đạt bằng lời như sau:
Áp suất tuyệt đối là bằng áp suất khí trời pkk cộng với áp suất dư p hoặc trừ đi áp suất thiếu pt. Khi áp suất thiếu càng lớn thì áp suất tuyệt đối ở nơi thí nghiệm càng nhỏ.
Áp suất thiếu lớn nhất là bằng áp suất khí trời trong khi áp suất dư lớn nhất là không thể giới hạn được. Trong thực tế không thể đạt áp suất tuyệt đối bằng không (0).
Hình 9.3: Các khái niệm áp suất
Áp suất tuyệt đối nhỏ nhất có thể đạt được cho đến nay là khoảng 10-11 Torr.
Nếu cùng một áp suất thiếu pt nhưng áp suất khí trời khác nhau thì áp suất tuyệt đối cũng khác nhau. Để hạ thấp áp suất tuyệt đối người ta sử dụng bơm chân không. Do đó, giá trị của áp suất thiếu pt không đánh giá một cách rõ ràng công suất hay độ hoàn thiện của một bơm chân không.
Ví dụ có hai bơm chân không: chiếc thứ nhất đạt được áp suất thiếu là 700 Torr khi áp suất khí trời là 705 Torr, nghĩa là áp suất tuyệt đối là pa = 5 Torr. Chiếc thứ hai cũng đạt 700 Torr nhưng ở áp suất khí trời là 800 Torr, như vậy áp suất tuyệt đối còn khá lớn pa
= 100 Torr.
Người ta cũng không thể sử dụng áp suất tuyệt đối pa để đánh giá được công suất hoặc mức độ hoàn thiện của bơm chân không vì cùng một giá trị pa nhưng áp suất khí trời khác nhau thì hiệu quả của bơm cũng khác nhau. Vì vậy trong thực tế người ta đưa ra khái niệm về độ chân không. Độ chân không được tính theo tỷ lệ phần trăm giữa áp suất thiếu và áp suất khí trời.
Độ chân không % =
t kk
p .100 p
Khi pt = 0 thì độ chân không là 0%
Khi áp suất thiếu pt bằng áp suất khí trời pkk thì pa = 0 lúc bấy giờ có độ chân không là 100%.
Bảng 9.1: Bảng chuyển đổi các đơn vị đo áp suất
N/m2 Bar micro bar kG/m2 atm Torr at lb/in2
1 N/m2 = 1 10-5 10 1,01972.10-1 0,986923.10-5 0,750062.10-2 1,019716.10-5 0,145038.10-3 1 bar =
106 dyn/cm2 = 10-5 1 106 1,01972.10-5 0,986923 750,062 1,019716 14,5038
1 microbar =
1 dyn/cm2 = 10-1 10-6 1 0,986923.10-6 0,750062.10-3 1,019716.10-6 0,145038.10-4 kG/m2 = 0,980665.10 0,980665.10-4 0,980665.10-2 1 0,967841.10-4 0,735559.10-1 10-4 14,2233.10-4 1 atm =
760 Torr = 1,01325.105 1,01325 1,01325.106 1,03327.104 1 760 1,03327 14,6959
1 Torr = 1,333224.102 1,333224.10-3 1,333224.103 13,59510 1,315789.10-3 1 1,359510.10-3 19,3368.10-3 1 at =
1 kG/cm2 = 0.980665.105 0,980665 0,980665.106 104 0,967841 735,559 1 14,2233 1 lb/in2 = 0,68948.104 0,68948.10-1 0,68948.105 0,70307.103 0,68046.10-1 51,715 0,70307.10-1 1