流体力学应用/B21:气压计

气压计: 静压公式最简单的实际应用是气压计（图.1），它测量大气压。一个装满汞的管子被倒置并浸入一个储液器中。这使得封闭的顶部产生一个近真空，因为汞在室温下具有极小的蒸气压（在 20 °C 时为 0.16Pa）。由于大气压迫使汞柱上升到管子中的高度 hi，因此上部汞表面处于零压。气压计测量当地绝对大气压：（a）汞柱的高度与 p atm 成正比；（b）现代便携式气压计，带有数字读数，使用谐振硅元件。在海平面标准条件下，pa = 101,350 Pa，ρg=133,100 N/m3，气压计高度为 h = 101,350/133,100 = 0.761 m 或 761 mm。使用汞是因为它是最重的常见液体。水气压计的高度将为 34 英尺。

原理

当一个一米长，开口端的玻璃管被装满汞，然后倒置在一个装满汞的容器中时，部分汞会从玻璃管中流出到容器中。然后在玻璃管顶部产生“托里拆利真空”，汞液面稳定在距离容器中汞液面约 76 cm 的位置（见图 2）。托里拆利的实验表明，这样的高度表明了周围的大气压。

汞气压计的原理是通过精确测量这个高度来测量大气压。

$-\nabla p+\rho {\overrightarrow {g}}=0(\rho =\rho _{Hg})g=-k{\hat {g}}$

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} z}}\left(p\right)=-\rho g$

积分后，

$p(h)=p(z=0)-\rho gh$

但是，在相同高度 ${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\left(p\right)={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} y}}\left(p\right)=0andp(z=0)=p_{atm}$

因此， $p(h)=p_{atm}-\rho gh$

$p(h)$仅仅是管子中液态汞上方的空间中汞蒸气的蒸气压。通常，

$p(h)=P_{y}\sim 0$（在室温下非常小）

因此，$p_{atm}=\rho gh$.

使用汞作为流体的优势

汞密度更大。它的相对密度是水的 13.534 倍。因此，为了测量大气压（相当于 760 毫米汞柱），你需要一个气压计，用汞，长度略大于 0.76 米，比如一米，以覆盖一些更高压力的特殊情况。如果你用水，你必须使气压计的长度（或高度）是汞气压计长度的 13.534 倍，这可能超过 11 米。此外，汞作为一种金属具有光泽的特性，这使其读数清晰可见。此外，汞的比热相对较低，并且是良好的导热体，能够更快地达到与大气相同的温度。

应用

• 测量天气
• 压强读数设备
• 温度

汞的密度会随着温度而变化，因此读数必须根据仪器的温度进行调整。为此，通常在仪器上安装一个汞温度计。空盒气压计不需要这种补偿。

• 海拔测量

由于海拔高度（高于海平面）会导致气压降低（低于海平面则气压升高），因此仪器的实际读数将取决于其位置。然后将此压力转换为等效海平面压力，以便于报告和调整飞机高度计（因为飞机可能会在由于天气系统的存在而导致标准化大气压不同的区域之间飞行）。空盒气压计有一个机械海拔调节器，允许直接读取等效海平面压力，并且如果仪器没有移到不同的海拔高度，则不需要进一步调整。

气压计类型

水基气压计

这种气压计有一个封闭的机身，由玻璃制成。一个喷嘴从容器下方进入水位以下，而另一端则保持在水位以上，与大气接触。这种仪器的另一个名称是“哥德式温度计”。随着气压下降，仪器内的水位上升，但当气压升高时，水位下降。

水银气压计

在水银气压计中，大气压平衡着一根水银柱，其高度可以精确测量。为了提高精度，水银气压计通常会针对环境温度和当地重力值进行校正。常见的压强单位包括每平方英寸磅；每平方厘米达因；每平方米牛顿（SI 单位，称为帕斯卡）。

真空泵油气压计

使用真空泵油作为气压计的工作液，在 2013 年 2 月创造了新的“世界上最高的气压计”。波特兰州立大学 (PSU) 的气压计使用双重蒸馏的真空泵油，油柱高度约为 12.4 米；预计在一年中，油柱高度将在 ±0.4 米的范围内波动。真空泵油的蒸汽压非常低，而且可以提供各种密度；PSU 气压计选择了密度最低的真空泵油，以最大限度地提高油柱高度。

空盒气压计

空盒气压计是一个包含密封腔的容器，该腔已抽掉了一些空气，形成了部分真空。覆盖腔体的弹性圆盘通过链条、杠杆和弹簧连接到容器表面的指针。当大气压增加或减少时，弹性圆盘收缩或膨胀，导致指针相应移动。

一种空盒气压计有一个指针，该指针在刻度盘上以半圆形运动从左向右移动，反映了低气压或高气压。许多家庭墙壁上悬挂的简单钟表式空盒气压计就是基于此原理。另一种空盒气压计的指针位于一个旋转圆柱体的侧面，该圆柱体包裹着绘图纸。当圆柱体绕其轴线旋转时，指针在纸上留下一条轨迹，反映了气压的升降。这种设计的气压计被称为气压记录仪。