Закрытый сосуд для жидкостей
Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости в каждом из сосудов. Таким образом жидкость может перемещаться из одного сосуда в другой.
Перед тем как понять принцип действия сообщающихся сосудов и варианты их использования необходимо определиться в понятиях, а точнее разобраться с основным уравнением гидростатики.
Итак, сообщающиеся сосуды имеют одно общее дно и закон о сообщающихся сосудах гласит:
Какую бы форму не имели такие сосуды, на поверхности однородных жидкостей в состоянии покоя на одном уровне действует одинаковое давление.
Для иллюстрации этого закона и возможностей его применения начнем с рассмотрения основного уравнения гидростатики.
Основное уравнение гидростатики
P = P1 + ρgh
где P1 – это среднее давление на верхний торец призмы,
P – давление на нижний торец,
g – ускорение свободного падения,
h – глубина погружения призмы под свободной поверхностью жидкости.
ρgh – сила тяжести (вес призмы).
Звучит уравнение так:
Давление на поверхность жидкости, произведенное внешними силами, передается в жидкости одинаково во всех направлениях.
Из написанного выше уравнения следует, что если давление, например в верхней точке изменится на какую-то величину ΔР, то на такую же величину изменится давление в любой другой точке жидкости
Доказательство закона сообщающихся сосудов
Возвращаемся к разговору про сообщающиеся сосуды.
Предположим, что имеются два сообщающихся сосуда А и В, заполненные различными жидкостями с плотностями ρ1 и ρ2. Будем считать, что в общем случае сосуды закрыты и давления на свободных поверхностях жидкости в них соответственно равны P1 и P2.
Пусть поверхностью раздела жидкостей будет поверхность ab в сосуде А и слой жидкости в этом сосуде равен h1. Определим в заданных условиях уровень воды в сообщающихся сосудах – начнем с сосуда В.
Гидростатическое давление в плоскости ab, в соответствии с уравнение гидростатики
P = P1 + ρgh1
если определять его, исходя из известного давления P1 на поверхность жидкости в сосуде А.
Это давление можно определить следующим образом
P = P2 + ρgh2
где h2 – искомая глубина нагружения поверхности ab под уровнем жидкости в сосуде В. Отсюда выводим условие для определения величины h2
P1 + ρ1gh1 = P2 + ρ2gh2
В частном случае, когда сосуды открыты (двление на свободной поверхности равно атмосферному), а следовательно P1 = P2 = Pатм , имеем
ρ1h1 = ρ2h2
или
ρ1 / ρ2 = h2 / h1
т.е. закон сообщающихся сосудов состоит в следующем.
В сообщающихся сосудах при одинаковом давлении на свободных поверхностях высоты жидкостей, отсчитываемые от поверхности раздела, обратно пропорциональны плотностям жидкостей.
Свойства сообщающихся сосудов
Если уровень в сосудах одинаковый, то жидкость одинаково давит на стенки обоих сосудов. А можно ли изменить уровень жидкости в одном из сосудов.
Можно. С помощью перегородки. Перегородка, установленная между сосудами перекроет сообщение. Далее доливая жидкость в один из сосудов мы создаем так называемый подпор – давление столба жидкости.
Если затем убрать перегородку, то жидкость начнет перетекать в тот сосуд где её уровень ниже до тех пор пока высота жидкости в обоих сосудах не станет одинаковой.
В быту этот принцип используется например в водонапорной башне. Наполняя водой высокую башню в ней создают подпор. Затем открывают вентили, расположенные на нижнем этаже и вода устремляется по трубопроводам в каждый подключенный к водоснабжению дом.
Приборы основанные на законе сообщающихся сосудов
На принципе сообщающихся сосудов основано устройство очень простого прибора для определения плотности жидкости. Этот прибор представляет собой два сообщающихся сосуда – две вертикальные стеклянные трубки А и В, соединенные между собой изогнутым коленом С. Одна из вертикальных трубок заполняется исследуемой жидкостью, а другая жидкостью известной плотности ρ1 (например водой), причем в таких количествах, чтобы уровни жидкости в среднем колене находились на одной и той же отметке прибора 0.
Затем измеряют высоты стояния жидкостей в трубках над этой отметкой h1 и h2. И имея ввиду, что эти высоты обратно пропорциональны плотностям легко находят плотность исследуемой жидкости.
В случае, когда оба сосуде заполнены одной и той же жидкостью – высоты, на которые поднимется жидкость в сообщающихся сосудах, будут одинаковы. На этом принципе основано устройство так называемого водометного стекла А. Его применяют для определения уровня жидкости в закрытых сосудах, например резервуарах, паровых котлах и т.д.
Принцип сообщающихся сосудов заложен в основе ряда других приборов, предназначенных для измерения давления.
Применение сообщающихся сосудов
Простейшим прибором жидкостного типа является пьезометр, измеряющий давление в жидкости высотой столба той же жидкости.
Пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра (обычно не более 5 мм), открытую с одного конца и вторым концом присоединяемую к сосуду, в котором измеряется давление.
Высота поднятия жидкости в пьезометрической трубке – так называемая пьезометрическая высота – характеризует избыточное давление в сосуде и может служить мерой для определения его величины.
Пьезометр – очень чувствительный и точный прибор, но он удобен только для измерения небольших давлений. При больших давлениях трубка пьезометра получается очень длинной, что усложняет измерения.
В этом случае используют жидкостные манометры, в которых давление уравновешивается не жидкостью, которой может быть вода в сообщающихся сосудах, а жидкостью большей плотности. Обычно такой жидкостью выступает ртуть.
Так как плотность ртути в 13,6 раз больше плотности воды и при измерении одних и тех же давлений трубка ртутного манометра оказывается значительно короче пьезометрической трубки и сам прибор получается компактнее.
В случае если необходимо измерить не давление в сосуде, а разность давлений в двух сосудах или, например, в двух точках жидкости в одном и том же сосуде применяют дифференциальные манометры.
Сообщающиеся сосуды находят применение в водяных и ртутных приборах жидкостного типа, но ограничиваются областью сравнительно небольших давлений – в основном они применяются в лабораториях, где ценятся благодаря своей простоте и высокой точности.
Когда необходимо измерить большое давление применяются приборы основанные на механических принципах. Наиболее распространенный из них – пружинный манометр. Под действием давления пружина манометра частично распрямляется и посредством зубчатого механизма приводит в движение стрелку, по отклонению которой на циферблате показана величина давления.
Видео по теме
Ещё одним устройством использующим принцип сообщающихся сосудов хорошо знакомым автолюбителем является гидравлический пресс(домкрат). Конструктивно он состоит из двух цилиндров: одного большого, другого маленького. При воздействии на поршень малого цилиндра на большой передается усилие во столько раз большего давления во сколько площадь большого поршня больше площади малого.
Вместе со статьей “Закон сообщающихся сосудов и его применение.” читают:
Источник
Практически каждая отрасль народного хозяйства сегодня применяет такой вид тары, как сосуд. Эта емкость участвует в различных производственных циклах, участвует в процессах хранения газов, жидкостей, а также их транспортировке. В быту этот вид емкостей тоже востребован. Направлений их применения довольно много.
Что такое сосуд, необходимо рассмотреть подробнее. Это позволит разобраться в их большом многообразии. Каждый тип емкостей имеет определенное назначение. В процессе эксплуатации сосудов это нужно учитывать. От знания правил пользования сосудами зависит безопасность людей. Поэтому в вопрос назначения каждой разновидности необходимо вникнуть подробнее.
Общая характеристика
Чтобы понять, что такое сосуд, в первую очередь необходимо разобраться в определении этого понятия. Все предельно просто. Сосудом называется герметично закрытая емкость самого разного профиля применения.
Такие объекты могут быть изготовлены из самых разных материалов. Чаще всего применяется стекло, пластик и металл.
Изучая, что такое сосуд, следует также сказать, что их применяют как для проведения различных химических, технологических процессов, так и для транспортировки или хранения различных веществ.
В зависимости от назначения представленные емкости могут иметь разную форму. Конфигурация сосудов может быть очень простой. Но встречаются и довольно сложные по своей конструкции изделия.
Так как внутри представленных емкостей может быть вещество, на стенки герметичной тары оказывается различное давление. Поэтому при эксплуатации сосудов необходимо придерживаться соответствующих правил безопасности.
Простые формы сосудов
Сосуды в зависимости от формы, а также особенностей эксплуатации разделяют на определенные виды. Чаще всего простые емкости могут быть выполнены в виде баллона, бочки или цистерны.
Цилиндрический сосуд, который можно перекатить с одного места на другое, называется бочкой. Ее торцы плоские, что позволяет ставить тару без опор. Зачастую их используют для хранения жидких веществ или их транспортировки.
Баллон имеет одну или две горловины. На них устанавливают фланцы, вентили, штуцера или другие элементы запорной арматуры. В них хранятся, транспортируются газы, жидкости, находящиеся под давлением, а также с вакуумом внутри.
Цистерной называется сосуд со специальной конструкцией, которая позволяет транспортировать емкости на требуемые расстояния. При этом применяются поезда, грузовые машины и прочие средства перевозки.
Сосуды бытового назначения
Чаще всего в бытовых целях применяются емкости для воды. Пластиковые и стеклянные бутылки, банки известны каждому. Помимо различной герметичной посуды, применяются санитарные емкости, резервуары. В них вода может находиться в холодном и нагретом состоянии.
Давление в таких сосудах очень разное. При изготовлении подобных емкостей производитель обязательно наделяет их определенным набором характеристик.
Если вода будет употребляться в питьевых целях, сосуды из пластика, стекла должны обладать пищевым допуском, не содержать ядовитых или вредных примесей.
При хранении веществ, которые оказывают химическое или термическое воздействие на стенки сосуда, емкость должна изготавливаться из прочных, толстых материалов, устойчивых к разрушению.
Сосуды под давлением
Особый интерес со стороны правил безопасного использования представленных предметов вызывают сосуды под давлением. К их применению относятся очень щепетильно. Ведь при неправильной эксплуатации их стенки быстро разрушаются, что может закончиться взрывом, вытеканием горячих или химически активных субстанций наружу.
Поэтому сосуд с водой, аммиаком, газом и прочими веществами следует подбирать строго в соответствии с условиями их применения. На производствах и в быту разработаны особые правила, объясняющие, как правильно эксплуатировать всевозможные сосуды. При покупке подобных изделий обязательно следует изучать инструкцию производителя. Там четко указаны условия эксплуатации и правила безопасности, которых обязан придерживаться пользователь.
Виды сосудов под давлением
К перечню сосудов, которые находятся в процессе применения под высоким давлением, относится несколько основных видов. В первую очередь это компрессоры и автоклавы. Также сюда относятся котлы паровые и водонагревательные приспособления.
Например, если два одинаковых сосуда соединены трубкой, это может быть радиатор. При нагреве жидкости она давит на стенки этих емкостей. Поэтому для каждого типа отопления (центральное, автономное) подбирают радиаторы соответствующего типа.
Также в эту группу входят баллоны, в которых содержатся газообразные вещества. Перед запуском в эксплуатацию на предприятиях и в быту представленные сосуды проходят соответствующую проверку. За это отвечают определенные службы. Это позволяет избежать несчастных случаев.
В эту группу входят емкости для воды, которая нагревается свыше 110 °С. Жидкости или газообразные вещества могут превышать температуру кипения и создавать давление более 0,7 МПа. Некоторые сосуды применяются для хранения и транспортировки сыпучих компонентов.
Емкости для воды
При нормальном и высоком давлении эксплуатируются различные емкости для воды. Пластиковые сосуды чаще всего применяются для холодной воды. При добавлении специальной армировки или усиливающих прочность компонентов изготавливаются пластиковые сосуды для горячей воды и кипятка.
Для технической и питьевой жидкости пластик для емкостей изготавливают из специальных компонентов. Спектр форм, размеров и применения таких резервуаров невероятно широк. Это связано с ценой представленного материала, а также его свойствами.
Стекло чаще всего применяется для изготовления небольших сосудов, в которых находятся продукты питания. В этой сфере такой материал превышает по качеству пластик. В стеклянных контейнерах или прочих сосудах продукты питания, вода сохраняют свои первоначальные качества гораздо дольше.
Металлические емкости
В технических целях чаще всего применяются металлические сосуды. Они способны выдерживать очень высокое давление и нагрев. Поэтому для хранения, транспортировки, нагрева большого объема воды пластиковый, стеклянный сосуд практически не используют.
Для обеспечения сельского хозяйства, населенных пунктов и отдельных потребителей техническими или питьевыми ресурсами строят резервуары, напорные башни объемом от 15 до 200 куб. м.
Для частного применения воды применяют сосуды в виде бойлеров, котлов, систем отопления и т. д. Металлические емкости обрабатывают различными способами. Это позволяет сократить процесс образования коррозии и разрушения сосудов. При создании подобных изделий применяют огромное количество сплавов металлов.
Система защиты
Так как существующие виды сосудов, работающие под давлением, отличаются некоторой степенью опасности, они нуждаются в определенной защите. Подобные емкости оснащаются манометром и термометром. Это позволяет контролировать внутреннее состояние веществ.
Применяют также различные устройства безопасности, позволяющие сбросить излишнее давление при повышении температуры в сосуде. В зависимости от типа емкости могут применяться рычажно-грузовые или пружинные устройства, импульсные разновидности, а также экземпляры с разрушающейся мембраной. Это позволяет обезопасить пользователя от непредвиденных ситуаций.
Рассмотрев, что такое сосуд, а также каковы их особенности, можно правильно применять подобные емкости. Спектр их назначения широк. Поэтому видов сосудов сегодня существует огромное количество. Применять их необходимо строго в соответствии с правилами эксплуатации. Это позволит избежать неприятных ситуаций на производстве или в быту.
Источник