静压头

更新时间:2022-08-25 13:07

静压头,亦称为压力压头,乃单位重量流体所具有的静压能。静压头为pV除以流体的重量G。则得出pV/G=p/γ。p/γ在工程单位制中称为静压头或压力压头,单位为m。采用SI时,式中的相对密度γ可用ρg代替(ρ为密度,kg/m3;g为重力加速度,9.81m/s2),故静压头亦可作p/ρg,单位亦为m。

基本介绍

相当于静压的流体柱高度。若以Hs表示静压头(m),Ps表示静压(Pa),ρ表示流体密度(kg/m3),g表示重力加速度(m/s2),则它们的相互关系可表示为:

流体的相对静压(表压)是流体绝对压力超出环境气压的部分。显然,这是流体具有的一种势能。表压越高,该流体具有对外作功的机械能(如推动活塞、克服流动的各种阻力的本领)也越大。表压为零时,该流体即不具备对外作功的能力。表压为负时,环境流体可对本系统作功,同样体现出具备一种势能。分析一下静压单位:1Pa=1N/㎡=1(N·m)/(㎡·m)=1J/m3。

可见,1Pa静压相当于该流体每立方米中具有1J的机械能。所以在流体力学中又将流体的表压称为静压头,即单位体积流体所具有的静压能。这是流体力学中常用到的一个名词和基本概念。

相关概念

流体在机械压力、摩擦力(统称表面力)或重力、离心力、惯性力(统称体积力)的作用下,内部各部分之间也将产生相应的相互作用的力,称为内力。单位截面上的内力大小称应力。

当流体静止时,所有切应力均为零,只受到与作用面垂直的法向应力。也就是指向表面的压力,称为静压力。单位表面所受静压力称为压强。

(1)静压力总是垂直作用于容器壁、不论壁的形状与方向怎样;

(2)静止流体中静压力与其作用面再空间的方位无关,只是空间坐标的函数,即任意点处静压力在各方向上均相等。

分子运动论的角度,流体的静压可通过分子热运动强度与单位体积内分子数目表示如下:

式中,m为流体分子质量;n0为单位体积内分子数目;u为流体分子的均方根速度。

当n0增大,流体静压也相应地变大。

静压头推导

有一汽缸,内贮相对静压为h静的气体(图1)。活塞保持平衡时,其所受外压也等于h静。现由外界缓慢地向缸内注入体积为V、压力与缸内相同的气体,要使注入过程不发生能量损失、并要求缸内的温度与压力保持恒定,则活塞必然向外作等温等压膨胀,扩张的体积应刚好与外加入的体积相等。设活塞截面积为A,则向外推移距离为L=V/A。活塞克服外力所作功为W=h静×A×L(J)。

因膨胀后汽缸内气体的温度、压力保持不变,即缸内气体的能量没有变化,对外膨胀所作功必定与V体积气体注入时所作功相等。反过来也是如此,即:若不是注入而是引出同样多的气体,活塞缓慢向内移动距离L,即外界向汽缸内气体作功为h静×A×L,同样因缸内气体的能量不变,这部分功即为引出V体积气体所作功。可见,不论是注入或引出,对单位体积气体所作功都相等,即(注入或引出单位体积气体所需的功)=W/V=h静×A×L/V=h静×V/V=h静。

也就是说,单位体积气体的注入功与引出功都等于该气体的静压头。从这意义上看,静压头也就是该气体单位体积相对于周围气体所具有的静压能,其单位是Pa。与相对压力的单位完全一致。可见,对静压头既可理解为“相对压力”或“表压”,也可理解为单位体积气体相对于周围气体所具有的“静压能”。

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