Давление для чайников: определение, объяснение простыми словами

Никому не нравится быть под давлением. И не важно, под каким. Об этом спела еще группа Queen вместе с Дэвидом Боуи в своем знаменитом сингле «Under pressure». Что такое давление? Как понять давление? В чем оно измеряется, какими приборами и методами, куда направлено и на что давит. Ответы на эти и другие вопросы – в нашей статье про давление в физике и не только.

Давление в физике

Если преподаватель давит на вас, задавая каверзные задачки, мы сделаем так, чтобы вы смогли верно на них ответить. Ведь понимание самой сути вещей – ключ к успеху! Итак, что такое давление в физике?

По определению:

Давление – скалярная физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности.

В международной системе СИ измеряется в Паскалях и обозначается буквой p. Единица измерения давления – 1 Паскаль. Русское обозначение – Па, международное – Pa.

Согласно определению, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь.

Любая жидкость или газ, помещенный в сосуд, оказывает на стенки сосуда давление. Например, борщ в кастрюле действует на ее дно и стены с некоторым давлением. Формула определения давления жидкости:

где g – ускорение свободного падения в гравитационном поле земли, h – высота столба борща в кастрюле, греческая буква «ро» – плотность борща.

Одно из важнейших свойств жидкостей — изотропность. Это значит, что по закону Паскаля во всех направлениях жидкости производимое ею давление передается одинаково. Кстати, подробнее о жидкостях, их свойствах и движении читайте в нашем материале про уравнение Бернулли.

Наиболее распространенный в быту прибор для определения давления – барометр. Но в чем измеряют давление? Кроме паскаля существуют и другие внесистемные единицы измерения:

• атмосфера;
• миллиметр ртутного столба;
• миллиметр водяного столба;
• метр водяного столба;
• килограмм-сила.

В зависимости от контекста применяются разные внесистемные единицы.

Например, когда вы слушаете или читаете прогноз погоды, там и речи не идет о паскалях. Говорят о миллиметрах ртутного столба. Один миллиметр ртутного столба – это 133 Паскаля. Если вы ездите за рулем, то наверное знаете, что нормальное давление в колесах легкового автомобиля — около двух атмосфер.

Давление в шинах — это давление газа. Оно обусловлено столкновениями молекул воздуха с поверхностью шины

Формула давления из уравнения состояния

В середине 30-х годов XIX века французский инженер Эмиль Клапейрон, обобщая накопленный до него экспериментальный опыт по изучению поведения газов во время разных изопроцессов, получил уравнение, которое в настоящее время называется универсальным уравнением состояния идеального газа. Соответствующая формула имеет вид:

P*V = n*R*T

Здесь n – количество вещества в молях, T – температура по абсолютной шкале (в кельвинах). Величина R называется универсальной газовой постоянной, которая была введена в это уравнение русским химиком Д. И. Менделеевым, поэтому записанное выражение также называют законом Клапейрона-Менделеева.

Из уравнения выше легко получить формулу давления газа:

P = n*R*T/V

Равенство говорит о том, что давление линейно возрастает с температурой при постоянном объеме и увеличивается по гиперболе с уменьшением объема при постоянной температуре. Эти зависимости отражены в законах Гей-Люссака и Бойля-Мариотта.

Если сравнить это выражение с записанной выше формулой, которая следует из положений МКТ, то можно установить связь между кинетической энергией одной частицы или всей системы и абсолютной температурой.

Атмосферное давление

Атмосфера – это газ, точнее, смесь газов, которая удерживается у Земли благодаря гравитации. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, а ее высота – примерно 100 километров.

Как понимать выражение «атмосферное давление»? Над каждым квадратным метром земной поверхности находится стокилометровый столб газа. Конечно, воздух прозрачен и приятен, но у него есть масса, которая давит на поверхность земли. Это и есть атмосферное давление.

Нормальное атмосферное давление принято считать равным 101325 Па. Это давление на уровне мирового океана при температуре 0 градусов Цельсия. Такое же давление при этой же температуре оказывает на свое основание столб ртути высотой 766 миллиметров.

Чем больше высота над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление. Например, на вершине горы Джомолунгма оно составляет всего одну четвертую от нормального атмосферного давления.

Эверест. На его вершине давление в 4 раза меньше, чем у подножия

Нормативы обеспечения газом жилых строений

Безопасность эксплуатации газового оборудования и сетей обеспечивается соблюдением определенного свода правил, зафиксированного в документе под названием «СНиП». Была принята документация для многоквартирных, а также частных домов и построек. Основные требования и положения включают следующие:

• Использование газа представлено такими величинами: приготовление еды на газовых плитах — 0,5 м3 в день, подогрев воды колонкой — 0,5 м3 в день, индивидуальное отопление с помощью котла – от 7 до 12 м3 в день.
• В частных домах напор газа в трубах не должен быть больше значения в 0,003 МПа.
• Наружные газопроводы надземного типа следует располагать на участках, которые не имеют интенсивного движения автомобилей и людей. Расстояние от низа трубы до поверхности грунта не может составлять менее 0,35 м.
• Сети низкого давления оборудуются отключающим аппаратом при вводе в здание. Расстояние от поверхности грунта должно составлять не более 180 см.
• Объекты рядом с газопроводом должны быть размещены таким образом, чтобы не затруднять свободный доступ специалистов для ремонта и обслуживания газовых систем.
• Хранилища газа следует располагать под землей на расстоянии в 60 см от поверхности грунта, если в зимний период происходит его промерзание. Если последнего не происходит, такая дистанция может составлять около 20 см. В случае с высоким уровнем грунтовых вод резервуар можно не погружать под землю, но при этом необходимо обеспечить его устойчивость и водонепроницаемость. Трубы с низким напором газа прокладывают ниже уровня грунта. Если в местности распространена многолетняя мерзлота, можно производить надземный монтаж сетей.
• Во внутренней части помещений газопроводы прокладывают только открытым способом. Исключение могут представлять случаи с использованием специальных вентиляционных систем, при которых трубы находятся под щитами. Последние должны легко и быстро сниматься при необходимости обеспечения доступа к оборудованию.
• В местах пересечения строительных конструкций трубы размещаются в особых футлярах. Нижние части располагаются на расстоянии 3 см от напольного покрытия. Соприкосновение с футляром не допускается, между ними обязателен минимальный зазор в 5 см. На этом пространстве следует разместить эластичные материалы.
• Возле контрольно-измерительных приборов и газового оборудования в обязательном порядке располагают отключающие устройства.

Артериальное давление

Еще один пример, где мы сталкиваемся с давлением в повседневной жизни – это измерение кровяного давления.

Артериальное давление – это кровяное давление, т.е. давление, которое кровь оказывает на стенки сосудов, в данном случае – артерий.

Если вы измерили артериальное давление и оно у вас 120 на 80, то все хорошо. Если 90 на 50 или 240 на 180, то вам уже точно будет неинтересно разбираться, в чем это давление измеряется и что это вообще значит.

Артериальное давление — давление крови на стенки артерий

Тем не менее, возникает вопрос: 120 на 80 чего именно? Паскалей, миллиметров ртутного столба, атмосфер или еще каких-то единиц измерения?

Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Оно определяет превышение давления жидкости в кровеносной системе над атмосферным давлением.

Кровь оказывает давление на сосуды и тем самым компенсирует действие атмосферного давления. Будь иначе, нас бы просто раздавило огромной массой воздуха над нами.

Но почему в измерении артериального давления две цифры?

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Дело в том, что кровь движется в сосудах не равномерно, а толчками. Первая цифра (120) называется систолическим давлением. Это давление на стенки сосудов в момент сокращения сердечной мышцы, его величина – наибольшая. Вторая цифра (80) определяет наименьшее значение и называется диастолическим давлением.

При измерении фиксируются значения систолического и диастолического давлений. Например, для здорового человека типичное значение артериального давления составляет 120 на 80 миллиметров ртутного столба. Это означает, что систолическое давление равно 120 мм. рт. ст., а диастолическое – 80 мм рт. ст. Разница между систолическим и диастолическим давлениями называется пульсовым давлением.

Зависимость давления от объёма газа

Заметим, что при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении — давление уменьшается.

Для этого проведём опыт: возьмём стеклянную трубку, у которой один конец закрыт тонкой резиновой пленкой. Вставим в неё поршень.

Тогда, при выдвигании поршня объём газа внутри сосуда увеличится, а резиновая плёнка будет выгибаться внутрь сосуда. Количество молекул в единице объема при увеличении этого объема уменьшается, поэтому уменьшится и число ударов о стенки сосуда, поэтому уменьшится и само давление.

При вдвигании поршня, наоборот, объем воздуха уменьшается, поэтому количество молекул в единице этого объема увеличивается, следовательно, увеличивается и само давление, и резиновая пленка выгибается наружу.

Физический вакуум

Вакуум – это отсутствие давления. Точнее, практически полное его отсутствие. Абсолютный вакуум является приближением, как идеальный газ в термодинамике и материальная точка в механике.

В зависимости от концентрации вещества различают низкий, средний и высокий вакуум. Наилучшее приближение к физическому вакууму – космическое пространство, в котором концентрация молекул и давление минимальны.

В космосе наблюдается почти полное отсутствие давления

Давление – основной термодинамический параметр состояния системы. Определить давление воздуха или другого газа можно не только по приборам, но и пользуясь уравнениями, формулами и законами термодинамики. А если у вас нет времени разбираться, студенческий сервис поможет решить любую задачу на определение давления.

Формула давления газа идеального из молекулярно-кинетической теории

При объяснении концепции идеального газа выше были озвучены основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ). Эта теория основывается на статистической механике. Развита она была во второй половине XIX века такими учеными, как Джеймс Максвелл и Людвиг Больцман, хотя ее основы заложил еще Бернулли в первой половине XVIII века.

Согласно статистике Максвелла-Больцмана, все частицы системы движутся с различными скоростями. При этом существует малая доля частиц, скорость которых практически равна нулю, и такая же доля частиц, имеющих огромные скорости. Если вычислить среднюю квадратичную скорость, то она примет некоторую величину, которая в течение времени остается постоянной. Средняя квадратичная скорость частиц однозначно определяет температуру газа.

Применяя приближения МКТ (невзаимодействующие безразмерные и хаотично перемещающиеся частицы), можно получить следующую формулу давления газа в сосуде:

P = N*m*v2/(3*V)

Здесь N – количество частиц в системе, V – объем, v – средняя квадратичная скорость, m – масса одной частицы. Если все указанные величины определены, то, подставив их в единицах СИ в данное равенство, можно рассчитать давление газа в сосуде.

Особенности городской планировки газоснабжения

В границах города идеальная схема поставок природного газа обязана быть экономически выгодной, эксплуатационно-безопасной и надежной, удобной и несложной в работе с ней.

Таким шаровыми задвижками оборудуются сети газовых коммуникаций для крупных потребителей и для многоступенчатых систем. Данная запорная арматура устанавливается на газопроводе при его выводе через газорегуляторную станцию, позволяя переключать газоснабжающие контуры системы

Трубопроводная сеть газоснабжения обязана допускать безаварийное отключение отдельные ее сегментов для выполнения ремонта. Обязательное условие – полная однотипность узлов, оборудования и сооружений в составе одной системы.

При изображении на схеме городские газопроводы показаны последовательно. Однако по улицам допускается укладка параллельных газовых коммуникаций, при условии различного давления в них.

Такая планировка экономически эффективна, поскольку позволяет сократить расход труб:

• газовые магистрали низкого давления запитываются несколькими ГРП;
• к центральным ГРП метан поставляется параллельно уложенными газопроводами среднего, либо высокого давления.

Аналогичные схемы прокладки коммуникаций используются для снабжения котельных и предприятий, находящихся внутри жилых районов.

Структура городской застройки требуют построения сети низкого давления в формате двух несвязанных зон. Для резервирования по низкой ступени давления ГРП каждой из двух зон подключаются к трубопроводам большого диаметра, проводящим газ под низким давлением.

В городах небольшой и средней площади используется двухступенчатый комплекс газопроводов, сочетающий коммуникации низкого и высокого давления (не более 0,6 МПа).

При невозможности закладки газовых труб в центре города для прокачки газовой смеси высокого давления, их проектные мощности разделяются между сетями высокого давления (укладываются в периферии) и среднего давления (создаются в центральной части).

В результате образуется трехступенчатая система снабжения природным газом, обустроенная распределительными газопроводами диаметром 50-400 мм.

Перед сооружением отдельной газотранспортной ветки и перед врезкой в существующую газовую трубу производится проектирование запланированного участка системы, выполняется гидравлический расчет, предоставляющий возможность подобрать трубы для газа и арматуру для обустройства сети.

Нормы потребления газа на отопление дома

Ограничения в потреблении коммунальных услуг могут проявляться в минимальных тарифах, допустимой мощности и нормах отпуска ресурса. Необходимость в существовании норм появляется там, где отсутствуют счётчики учёта.

Нормы потребления природного газа населением определяются по следующим направлениям его использования:

1. приготовления еды в расчёте на 1 человека в месяц;
2. подогрев воды при автономном газо и водоснабжении в условиях отсутствия или наличия газового водонагревателя;
3. индивидуальное отопление жилых помещений и хозяйственных построек;
4. на нужды содержания домашних животных;

Нормы газа на отопление рассчитываются исходя из расхода в равных долях по месяцам всего года. Измеряются в кубометрах на 1 м 2 отапливаемой площади или на 1 м 3 отапливаемого объема. Если здание многоэтажное, то расчёт производится по каждому этажу отдельно. Как правило, к отапливаемым помещениям причисляются мансарды, цокольные этажи, а также некоторые подвальные помещения.

Выбор материала для труб газоснабжения по нормам СП 62.13330

Для выбора материала труб газоснабжения следует руководствоваться требованиям раздела 4 СП 62.13330.2011 Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42-01-2002.

Согласно п.4.1 СП 62.13330.2011 проектирование, строительство и реконструкцию сетей газораспределения и газопотребления рекомендуется осуществлять в соответствии со схемами газоснабжения, разработанными в составе федеральной, межрегиональных и региональных программ газификации субъектов РФ в целях обеспечения предусматриваемого этими программами уровня газификации жилищно-коммунального хозяйства, промышленных и иных организаций.

Строительство, реконструкцию сетей газораспределения рекомендуется осуществлять с применением преимущественно полимерных труб и соединительных деталей (например, из полиэтилена и его модификаций, полиамидов) и других сертифицированных материалов.

В сетях газораспределения и газопотребления безопасность использования газа рекомендуется обеспечивать применением технических средств и устройств.

Присоединение вновь построенных газопроводов к действующим газопроводам рекомендуется предусматривать без отключения потребителей газа.

Согласно п.4.3 СП 62.13330.2011 по рабочему давлению транспортируемого газа газопроводы подразделяют на газопроводы высокого давления категорий 1 и 2, среднего давления и низкого давления в соответствии с таблицей 1*.

Газопроводы из полиэтиленовых труб могут применяться для подземной прокладки при давлении природного газа до 0,6 МПа включительно внутри населенных пунктов, до 1,2 МПа включительно — по территории промышленной зоны и межпоселковые и до 0,005 МПа включительно — для паровой фазы СУГ.

Полиэтиленовые трубы и соединительные детали могут изготовляться по ГОСТ Р 50838 и ГОСТ Р 52779 соответственно или по техническим условиям из композиций полиэтилена, отвечающих требованиям этих стандартов. Характеристики труб, изготовленных по техническим условиям, должны соответствовать или быть более жесткими, чем предусмотрено ГОСТ Р 50838-2009 (таблица 3), а для соединительных деталей — чем предусмотрено ГОСТ Р 52779-2007 (таблица 5).

Газопроводы из стальных труб и их соединительные детали могут применяться для наружной и внутренней прокладки для всех давлений для природного газа и до 1,6 МПа включительно — для СУГ.

Газопроводы из медных труб и их соединительные детали могут применяться для наружной и внутренней прокладки при низком давлении природного газа.

Для сетей газораспределения и газопотребления при соответствующем обосновании допускается применение труб и соединительных деталей из иных материалов, применение которых разрешено в установленном порядке.

Согласно п.5.2.4 СП 62.13330.2011 запрещено использовать полиэтиленовые трубы при:

Не допускается прокладка газопроводов из полиэтиленовых труб для транспортирования газов, содержащих ароматические и хлорированные углеводороды, а также газопроводов СУГ, за исключением паровой фазы низкого давления, и при температуре стенки газопроводов в условиях эксплуатации ниже минус 20 °С.

Примечание: СУГ — сжиженных углеводородных газов.

Классификация газопроводов по способу прокладки

Здесь можно видеть 2 разновидности-подземные и надземные газопроводы.

Подземные газопроводы относятся к наружным, они прокладываются ниже уровня земли или по ее поверхности в обваловке. Давление в таком газопроводе может быть любое. Строительство таких газопроводов регламентируется положениями СНиП, тут должны быть четко соблюдены расстояния от других подземных коммуникаций. Материал труб-сталь или полиэтилен. Стальные трубы должны быть покрыты слоем изоляции для защиты от коррозии. Ремонт и техническое обслуживание подземных газопроводов осуществляют эксплуатационные службы.

Прокладка подземного газопровода

Плюсы и минусы

Подземный газопровод сооружают под землей. Его прокладка дороже из-за сложности работ. Также обязательно требуется провести инженерно-геологические и геодезические изыскания. Стальная труба должна иметь электрохимическую защиту от блуждающих токов. Полиэтиленовая труба в этом не нуждается. Но большой плюс подземной прокладки – труба под землей лучше защищена от внешних влияний, тем самым увеличивается ее долговечность. Так же подземный газопровод намного безопаснее наземного.

Такие газопроводы монтируются только из металлических труб, соответствующих ГОСТам

Изоляция для магистральных газопроводов

Особая часть работ по устройству газопровода, для которой также может разрабатываться отдельный проект. Главное требование к изоляции таких сооружений – стойкость перед коррозией и агрессивными веществами в составе почвы. Также покрытие должно быть сплошным, водонепроницаемым, прочным и термостойким. В практике строительства магистральных газопроводов чаще используются следующие виды изоляционных покрытий:

• Полиэтиленовые заводские полотна нанесения с порошковым покрытием и диэлектрическими свойствами.
• Покрытия на основе полиэтилена для трассовой укладки. Это широкая группа изоляторов, которые могут выполняться в ленточном виде или в составе с битумной смесью. Второй вариант отличается стойкостью к высоким температурам.

В некоторых случаях функции изоляторов для магистральных газопроводов могут выполнять и лакокрасочные материалы наподобие эпоксидной краски. Но такие решения допустимы только для контуров с наземной прокладкой, так как защитное покрытие этого типа будет требовать регулярного обновления.

Что такое охранная зона газопровода

Охранной зоной, по Земельному Кодексу, признается местность с особенными условиями пользования. Эксплуатация таких земельных участков ограничена их целевой принадлежностью.
Когда на пути охранных зон, при прокладке новой газовой сети, оказываются земли других владельцев, им возмещаются убытки. А установка опознавательных знаков согласуется с землепользователями и оформляется актом.

Цели устанавливаемых газопроводных охранных зон.

• Исключение несчастных случаев среди населения.
• Безопасность эксплуатации и не допущение порчи имущества газового хозяйства.
• Предотвращение засорения прилежащих территорий.

Главная задача – организация бесперебойной работы и максимальной безопасности, путем обеспечения быстрого доступа при плановых осмотрах, текущем и аварийном обслуживании. В основном она достигается охраной примыкающих к газовым трассам земельных участков.

Охранные зоны газораспределительных сетей

Ширина зон особого использования оговаривается «Правилами охраны газораспределительных сетей» и зависит от видов прокладки и степени предполагаемого риска при авариях:

1. В пределах двух метров по обеим сторонам сетей наружного исполнения.
2. Не менее десяти метров с двух сторон подземных трубопроводов расположенных в грунтах вечной мерзлоты.
3. В радиусе десяти метров от ГРП (если они наружного исполнения).
4. 100 метров с обеих сторон газопроводов залегающих в водных просторах рек, озёр и т.п.
5. Трехметровую дистанцию от межпоселочных сетей проложенных в лесах и сквозь подобную многочисленную растительность.
6. Расстояние от наружных трасс до деревьев должно составлять не меньше высоты этих деревьев (весь период эксплуатации).

Пожаро- и взрывоопасность газов определяет необходимость введения зон особого использования и их обозначения опознавательными знаками.

Вне населенных пунктов устанавливаются железные или железобетонные столбики высотой не более 1,5 м, с шагом не менее 0,5 км.

Предназначены для указания мест:

• пролегания подземных газораспределительных сетей;
• пересечения с автомагистралями;
• железными дорогами;
• на поворотах у колодца, сборника конденсата, ковера и т.п.;
• на берегах водоемов, в случае подводной прокладки.

Опознавательные знаки содержат:

• расстояние от сети;
• материал трубопровода;
• диаметр;
• значение давления – для сетей ВД и СД, для сетей с низким давлением просто ставится пометка «н.д».
• угол поворота (УП);
• глубина прокладки;
• контакты ответственной АДС (аварийной диспетчерской службы) и др.

Охранная зона газопровода низкого давления, сколько метров

Газопроводы низкого давления – это неотъемлемая часть газораспределительной сети, по ним обычно производится поставка газа конечному потребителю, поэтому их охране также отводится немаловажное значение. Ширина охранной зоны исчисляется от центральной оси трубопровода в обе стороны:

Ширина охранной зоны исчисляется от центральной оси трубопровода в обе стороны:

• для наружных сетей НД составляет по 2 метра;
• для подземных – по 3.

Профилактические меры:

• Проведение инструктажей по технике безопасности с гражданами, являющимися собственниками земель, расположенных в охранных зонах – не реже 1 раза в пол года.
• Ежегодное обследование трасс, проведение необходимых работ, внесение корректировок в проектную документацию.
• Восстановление опознавательных знаков и обновление табличек.
• Обеспечение трасс табличками, распознаваемыми с воздуха.

Охранная зона газопровода высокого давления

Правила охраны сетей высокого давления указывают на необходимость обустройства защитных зон. Охранная территория газопроводов с высоким давлением газа определяется соответствующей категорией и регламентируется требованиями СНиП – 42-01-2002.

Охранная зона магистралей с высоким давлением – 50 м, распределительных – до 10. Выбирать землю под строительство жилого дома либо дачного участка, безусловно лучше ближе к газопроводу. Тогда затраты на газификацию частного дома будут минимальными, но при этом необходимо учитывать расстояние охранной зоны газопровода. В случае отсутствия возможности подключения к центральному газопроводу, стоит рассмотреть вариант использования автономной газификации (газгольдеров или газовых баллонов).

Конструкция магистрального газопровода

Хотя со стороны данное сооружение напоминает обычный трубопровод, только в более крупном варианте, на деле разница существенна. Даже в простейшем исполнении магистральный трубопровод для газа содержит следующие конструкционные элементы:

• Непосредственно трубный контур, который напрямую сопрягается с ответвлениями, переходными узлами, запорной арматурой и т. д. Это и есть основная магистральная часть газопровода, в теле которой также выполняются подключения к станциям, управляющим пунктам и очистным сооружениям.
• Сборники конденсата и устройства для ввода технических смесей на основе метанола.
• Системы управления и аппаратура телемеханики.
• Средства обеспечения электрохимической антикоррозионной защиты.
• Линии электропередач и связи.
• Устройства для огнетушения.
• Резервуары для хранения газа и разгазирования.
• Служебные здания для эксплуатации трубопроводов на вверенных участках.
• Насосные и промежуточные перекачивающие станции.
• Амбары для хранения газа.