background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

3. WYZNACZANIE ĆIŚNIENIA ATMOSFERYCZNEGO 

1.  Wstęp teoretyczny. 

1.1. Ciśnienie atmosferyczne. 

Ciśnienie  fenomenologicznie  (makroskopowo)  jest  to  stosunek  siły  parcia  płynu 

działającej na powierzchnię do wielkości tej powierzchni: 

A

F

 , 

(1) 

przy czym przyjmuje się, że siła parcia działa prostopadle do powierzchni. Dlatego ciśnienie 

jest skalarem. Mikroskopowo ciśnienie oznacza sumę oddziaływań wynikających ze zderzeń 

molekuł płynu ze ścianą naczynia. Ponieważ przyjmuje się, że zderzenia te są sprężyste, więc 

oddziaływania siłą dające zmianę pędu molekuł są prostopadłe do ścianki. 

W  takim  razie  ciśnienie  atmosferyczne  to  stosunek  wartości  wektora  siły,  z  jaką  słup 

powietrza  naciska  na  powierzchnię  ziemi  do  powierzchni,  na  jaką  dany  słup  naciska.  Co  za 

tym idzie, ciśnienie zależy od wysokości słupa powietrza i jest tym niższe im niższy jest słup 

powietrza,  czyli  im  wyżej  ciśnienie  jest  mierzone.  Dlatego,  na  podstawie  średniej  wielkości 

ciśnienia atmosferycznego na Ziemi na poziomie morza, wprowadzono jednostkę ciśnienia – 

atmosferę  –  równą  101325  Pa.  Ciśnienie  o  wartości  jednej  atmosfery  jest  nazywane 

ciśnieniem normalnym.  

W  meteorologii,  w  celu  wyeliminowania  wpływu  wysokości  wykonywania  pomiaru 

ciśnienia  atmosferycznego  wprowadza  się  pojęcie  ciśnienia  znormalizowanego  (inaczej 

ciśnienia zredukowanego). Jest to wartość ciśnienia atmosferycznego, które występowałoby 

na poziomie morza w tych samych warunkach otoczenia (ciśnienie rzeczywiste, temperatura 

powietrza),  w  którym  następuje  pomiar.  To  właśnie  tę  wartość  podaje  się  w  prognozach 

pogody. 

Zależność  ciśnienia  atmosferycznego  od  wysokości  można  wyprowadzić  korzystając  z 

równania statyki płynów znajdujących się w polu sił ciężkości: 

 

g

z

p

(2) 

 

 

 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

gdzie  z  jest  osią  pionową  skierowaną  do  góry  (przyjmujemy  z=0  dla  poziomu  morza), 

  - 

gęstością płynu, natomiast g oznacza przyspieszenie. W przypadku powietrza jego gęstość 

 

zależy  zarówno od  ciśnienia  p  jak  i  od  temperatury  T.    Przyjmuje  się  dla  powietrza,  że  jest 

ono, w warunkach panujących w atmosferze, gazem doskonałym. W takim razie spełnia ono 

równania stanu gazu doskonałego: 

T

R

m

pV

(3) 

gdzie przez 

R

oznaczono indywidualną stałą gazową. Po przekształceniu wzoru (3) otrzymuje 

się gęstość powietrza w funkcji ciśnienia p i temperatury T

T

R

p

V

m

.   

(4) 

Po  podstawieniu  (4)  do  (2)  otrzymuje  się  ogólne  równanie  opisujące  zmianę  ciśnienia 

w atmosferze: 

T

R

pg

z

p

(5) 

Dla  niewielkich  wysokości  nad  poziomem  morza  zarówno  temperatura  jak 

i przyspieszenie ziemskie w niewielkim stopniu zależą od wysokości, a w takim razie można 

przyjąć,  że  są  stałe.  Warunkiem  brzegowym  dla  równania  (5)  jest  wartość  ciśnienia 

znormalizowanego  p

z

  dla  poziomu  morza  z=0.  Otrzymuje  się  rozwiązanie  równania  (5)  w 

postaci:  

T

R

gz

p

p

z

exp

(6) 

1.2. Ciśnienie hydrostatyczne. 

Analogicznie  do  ciśnienia  atmosferycznego  wprowadza  się  ciśnienie  hydrostatyczne  – 

ciśnienie, jakie panuje na pewnej głębokości w cieczy niebędącej w ruchu, znajdującej się w 

polu  grawitacyjnym.  Ciśnienie  hydrostatyczne  zależy  od  głębokości  (rośnie  wraz  z 

głębokością w cieczy). Dla cieczy zakłada się, że jest nieściśliwa, czyli że jej gęstość jest stała 

=  const.  Jeżeli  dodatkowo  przyjmie  się  współrzędną  pionową  h  skierowaną  w  dół,  przy 

czym  początek  osi  h=0  przyjmie  się  na  powierzchni  cieczy  (h  –  głębokość  w  cieczy),  to  z 

równania statyki płynów (2) otrzyma się:  

g

h

p

.   

(7) 

 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

Jako warunek brzegowy przyjmuje  się p=p

g

 dla h=0, gdzie p

g

 oznacza wartość ciśnienia 

na  powierzchni  płynu.  Rozwiązanie  równania  (7)  z  tym  warunkiem  brzegowym  daje  znany 

wzór:  

gh

p

p

g

(8) 

pozwalający wyliczyć ciśnienie hydrostatyczne. 

1.3. Ciśnienie w gazie, przemiana izotermiczna. 

Gaz znajdujący się w warunkach zbliżonych do warunków normalnych można traktować 

jako gaz doskonały. W takim przypadku ciśnienie p, objętość V oraz temperatura tego gazu są 

związane  ze  sobą  zależnością  opisywaną  równaniem  stanu  gazu  doskonałego  (3).  Jeżeli 

wymiary naczynia, w którym gaz się znajduje są niewielkie można pominąć zmianę ciśnienia 

w gazie wynikającą z wysokości  jego słupa. W takim przypadku przyjmuje się, że ciśnienie 

gazu w całym naczyniu jest jednakowe. Jeżeli ilość gazu w naczyniu nie ulega zmianie oraz 

gaz podlega przemianie izotermicznej, to iloczyn ciśnienia i objętości gazu nie ulega zmianie 

(prawo Boyle’a dla gazu doskonałego), co można przedstawić następująco: 

2

2

1

1

V

p

V

p

(9) 

gdzie indeksem 1 oznaczono stan gazu przed przemianą izotermiczną, a indeksem 2 stan gazu 

po tej przemianie.  

1.4. Gęstość wody. 

Gęstość  dowolnej  substancji  jest  definiowana  jako  stosunek  masy  zawartej  w  objętości 

elementarnej do tej objętości: 

dV

dm

(8) 

Ogólnie  gęstość  substancji  zależy  od  ciśnienia  p  i  od  temperatury  T,  ponieważ  zmiany 

tych parametrów mogą pociągać za sobą zmianę objętości. Dla cieczy zmienność gęstości pod 

wpływem  zmiany  ciśnienia  jest  niewielka  i  dlatego  jest  zwykle  pomijana,  natomiast 

rozszerzalność  termiczna  cieczy  ma  wyraźny  wpływ  na  jej  gęstość.  Zwykle  zależność 

gęstości cieczy od temperatury opisywana jest zależnościami empirycznymi, obowiązującymi 

w  określonym  zakresie  temperatury.  Dla  wody  wykorzystuje  się  następujące  zależności 

gęstości od temperatury: 

  dla T = 0 ÷ 40 

o

C   

]

[kg/m

 

)

2

,

67

(

57

,

503

)

283

(

)

4

(

1000

3

2

T

T

T

(9) 

 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

  dla T = 25 ÷ 100 

o

C   

]

[kg/m

 

)

67

(

7

,

466

)

273

(

)

4

(

1000

3

2

T

T

T

.   

(10) 

Do powyższych wzorów temperaturę podstawia się w skali Celsjusza. 

1.5. Przyspieszenie ziemskie. 

Przyspieszenie  ziemskie  jest  to  przyspieszenie  ciał  swobodnie  spadających  na  Ziemię, 

bez  oporów  ruchu.  Na  takie  ciała  działają  dwie  siły,  powodujące  dwie  składowe 

przyspieszenia  ziemskiego.  Pierwszą,  i  zarazem  główną  siłą  jest  siła  grawitacji.    Powoduje 

ona przyspieszenie grawitacyjne. Jest ono odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości 

od  środka  Ziemi,  zgodnie  z  prawem  powszechnego  ciążenia.    Wraz  z  wzrostem  wysokości 

przyspieszenie  maleje  w  wyniku  zmniejszania  się  siły  grawitacji.  Drugą  siła  działającą  na 

ciała  jest  siła  odśrodkowa,  spowodowana  ruchem  obrotowym  Ziemi  dookoła  swojej  osi. 

Wynikające z niej przyspieszenie odśrodkowe jest wprost proporcjonalne do odległości ciała 

od  osi  Ziemi.  Powoduje  to,  że  występujące  na  równiku  przyspieszenie  odśrodkowe  jest 

największe,  natomiast  na  biegunach  jest  równe  zeru.  Dlatego  też  wprowadzono 

przyspieszenie  ziemskie  normalne  g

n.

.  Odpowiada  ono  ziemskiemu  przyspieszeniu 

grawitacyjnemu na poziomie morza na szerokości geograficznej około 45,5° i wynosi: 

]

[m/s

 

80665

,

9

2

n

g

(11) 

Wartość  przyspieszenia  ziemskiego  normalnego  g

n.

  wykorzystywana  jest  do    obliczeń 

niewymagających  bardzo  wysokiej  precyzji.  Dokładniejszą  wartość  można    wyliczyć  z 

wzoru: 

]

[m/s

10

3,086

-

)

2

 

sin

0,0000058

-

sin

0053024

,

0

1

(

7803218

,

9

2

-6

2

2

g

(12) 

gdzie: 

  -  oznacza  szerokość  geograficzną,  natomiast  h  wysokość  nad  poziomem  morza. 

Powyższa,  przybliżona  zależność  opisuje  przyspieszenie  ziemskie  w  dowolnym  punkcie  na 

Ziemi.  

2.  Zasada pomiaru. 

2.1. Wyznaczenie ciśnienia atmosferycznego. 

Dla  obliczenia  ciśnienia  atmosferycznego  wykorzystuje  się  wyniki  dwóch  niezależnych 

pomiarów uzyskanych w  jednej  serii pomiarowej. Biorąc pod uwagę, że w zamkniętej rurce 

znajduje się stała ilość powietrza, będącego gazem doskonałym, w stałej temperaturze można 

wykorzystać zależność (9) w postaci: 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

j

j

i

i

V

p

V

p

(13) 

gdzie indeksami i,j oznaczono odpowiednio stan gazu dla dwóch niezależnych pomiarów. 

 Wykorzystując  to,  że  średnica  rurki  nie  zmienia  się  w  trakcie  pomiaru  (stała 

powierzchnia przekroju poprzecznego) można równanie (13) przedstawić w postaci: 

j

j

i

i

h

p

h

p

(14) 

gdzie  h  oznacza  wysokość  słupa  gazu  w  rurce  (rys. 1).  Ciśnienie  p  w  rurce  można  obliczyć 

korzystając  z  równowagi  ciśnień  na  poziomie  c  (rys. 1),  wykorzystując  równanie  (8),  w 

którym p

g

=p

a

gH

p

p

a

(15) 

gdzie  p

a

  oznacza  panujące  ciśnienie  atmosferyczne.  Podstawiając  równanie  (15)  z 

odpowiednimi indeksami do wzoru (14) otrzymuje się: 

j

j

a

j

j

i

i

a

i

i

h

gH

p

h

p

h

gH

p

h

p

)

(

)

(

(16) 

i po prostych przekształceniach: 

i

j

j

j

i

i

a

h

h

h

H

h

H

g

p

(17) 

Wzór (17) pozwala wyliczyć wartość ciśnienia atmosferycznego. 

2.2. Oszacowanie maksymalnego pozornego błędu względnego. 

Maksymalny pozorny błąd względny 

f

   wartości mierzonej f  jest to stosunek maksymalnego 

błędu bezwzględnego pomiaru f  do uzyskanego wyniku pomiaru f

p

p

f

f

f

(18) 

Jeżeli  wartość  parametru  f  nie  jest  mierzona  w  pomiarze  bezpośrednim,  tylko  wynika 

pośrednio  z pomiarów  innych  parametrów  x

i

przy  czym  można  przedstawić  ją  w  postaci 

funkcji tych parametrów: 

  

)

,...,

,

(

2

1

n

x

x

x

f

(19) 

 

to błąd bezwzględny pomiaru można wyznaczyć korzystając z różniczki zupełnej: 

n

n

x

x

f

x

x

f

x

x

f

f

...

2

2

1

1

(20) 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

Obustronne  podzielenie  równania  (20)  przez  funkcję  f    pozwala  wyliczyć  pozorny  błąd 

względny 

p

 : 

f

x

x

f

f

x

x

f

f

x

x

f

f

f

n

n

f

...

2

2

1

1

(20) 

W  przypadku  wyznaczanego  w  ramach  ćwiczenia  ciśnienia  atmosferycznego  p

a

,  jest  ono 

funkcją sześciu zmiennych:   

)

,

,

,

,

,

(

j

i

j

i

a

a

h

h

H

H

g

p

p

(22) 

określoną równaniem (17).  

W takim razie: 

a

j

j

a

a

i

i

a

a

j

j

a

a

i

i

a

a

a

a

a

a

a

p

p

h

h

p

p

h

h

p

p

H

H

p

p

H

H

p

p

g

g

p

p

p

p

p

(23) 

Do równania (23) podstawia się pochodne cząstkowe obliczone z równania (17) oraz funkcję 

ciśnienia, także w postaci (17). Po dokonaniu uproszczeń otrzymuje się: 

.

  

1

1

j

i

j

j

j

i

i

j

i

i

j

j

j

i

i

i

j

j

j

i

i

j

i

j

j

i

i

i

p

h

h

h

h

H

h

H

H

h

h

h

h

H

h

H

H

H

h

H

h

H

h

H

h

H

h

H

h

g

g

 

(24) 

Ponieważ  poszukuje  się  maksymalnego  błędu  względnego  dla  wszystkich  wartości  należy 

przyjmować  maksymalne,  wynikające  z  pomiarów,  błędy  bezwzględne  oraz  wszystkie 

wyrazy  zostały  przyjęte  w  postaci  wartości  bezwzględnej.  Kolejne  sześć  składników  wzoru 

(24)  pokazuje  wpływ  błędów  pomiarów  poszczególnych  mierzonych  wartości  na  błąd 

wynikowy. 

2.3. Stanowisko pomiarowe. 

 

Stanowisko  pomiarowe  składa  się  z  dwóch  równoległych,  przezroczystych  rur, 

wykonanych z polimetakrylanu metylu PMMA (rys.1). Lewa rura jest szczelnie zamknięta od 

góry,  natomiast  prawa  otwarta.  Rury  są  połączone  na  dole  poprzeczną  rurką,  dzięki  czemu 

stanowią  układ  naczyń  połączonych.  Na  dole  układu  zostały  zamieszczone  zawory 

doprowadzające i odprowadzające wodę do rur.  

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

 

Rys.1. 

 

3.  Przebieg ćwiczenia. 

3.1. Zmierzyć wysokość pomiarową zamkniętej rurki: a

3.2. Wypełnić wodą układ przy pomocy zaworu doprowadzającego wodę. Woda powinna 

wypełniać rurkę otwartą do wysokości pomiarowej b wynoszącej około 1,65 m. Uwaga: ten 

punkt wykonywać powoli, aby nie przelać górą wody. 

3.3. Zmierzyć długości pomiarowe b oraz c

3.4. Delikatnie operując zaworem spustowym obniżyć poziom cieczy w rurce otwartej do 

wysokości 1,60 m. 

3.5. Ponownie zmierzyć długości pomiarowe b oraz c

3.6. Obniżać poziom wody w rurce otwartej po około 0,1 m, za każdym razem wykonując 

kolejne pomiary wielkości b oraz c

3.7. Czynność 3.6 wykonywać aż do wyczerpania możliwości pomiaru wielkości c

3.8. Opróżnić układ z wody, równocześnie mierząc temperaturę wody. 

3.9. Punkty 3.2 – 3.8 powtórzyć trzykrotnie. 

3.10. Sprawdzić aktualną wartość ciśnienia atmosferycznego dla miasta Poznań. 

http://polish.wunderground.com/global/stations/12330.html 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

 

4.  Opracowanie wyników. 

4.1. Obliczyć wartość przyspieszenia ziemskiego korzystając z wzoru (12). 

4.2. Obliczyć wartość gęstości wody w poszczególnych cyklach pomiarowych (wzór (9)). 

4.3. Na podstawie pomiarów bezpośrednich obliczyć wysokości słupa gazu h

i

  oraz słupa 

cieczy H

i

. 

4.4. Obliczyć  ciśnienie  atmosferyczne  na  podstawie  wyników  poszczególnych  serii 

pomiarowych: 

  Dla pierwszej serii przyjąć i=1, j=2…n.  

  Dla drugiej serii przyjąć i=n, j=1…n-1.  

  Dla trzeciej serii przyjąć i dla środkowego punktu pomiarowego. 

4.5. Obliczyć  średnią  wartość  uzyskanego  z  pomiarów  ciśnienia  atmosferycznego  i 

porównać ją z aktualną wartością ciśnienia dla miasta Poznań. 

4.6. Zinterpretować otrzymane wyniki, sformułować wnioski. 

 
Tabele wyników 
 
Tabela 1. Wyniki pomiarów bezpośrednich w poszczególnych seriach 

Seria nr serii 

Nr pomiaru 

a 

 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

[

o

C] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Tabela 2. Wyniki pomiarów pośrednich w poszczególnych seriach 

Seria nr serii 

Nr pomiaru 

 

 

g 

H

H=b+c 

h

h=a+c 

 

[kg/m

3

]  [kg/m

3

]  [m/s

2

]  [m/s

2

[m] 

[m] 

[m] 

[m] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

MECHANIKA PŁYNÓW - LABORATORIUM 

Zakład Inżynierii Procesowej 

Tabela 3. Obliczone ciśnienie atmosferyczne i błędy względne 

Seria nr serii   obliczenia dla i=… 

Nr pomiaru 

p

δ

Składowe δ

p

 wynikające z błędów 

 

[Pa] 

[-] 

 

g 

H

i 

H

j

 

h

i

 

h

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Dane przydatne do obliczeń: 
indywidualna stała gazowa suchego powietrza 

R

= 287,1 [J/(kg·K)] 

szerokość geograficzna laboratorium 

 = 52º 39’ 38”  

średnia wysokość Poznania nad poziomem morza 100 [m] 
 

5.  Literatura uzupełniająca. 

  „Mechanika  płynów  w  inżynierii  środowiska”,  Orzechowski  Z.,  Prywer  J.,  Zarzycki 

R., WNT Warszawa 2001 r. 

  „Laboratorium  z  mechaniki  płynów”,  praca  zbiorowa  pod  red.  Weinerowskiej  K., 

Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2004 r.