Nghiên cứu về áp suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ o-o-o ĐỀ TÀI: THỰC HIỆN ÁP SUẤT THẤP SỰ ĐO ÁP SUẤT THẤP Giảng viên hướng dẫn: Các thành viên nhóm: Phạm Đức Danh Nguyễn Thị Thu Trang Nguyễn Trần Lý Trung Phạm Phương Huyền Ths: Nguyễn Thanh Loan K38.105.007 K38.102.126 K38.105.156 K39.105.068 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, hệ thống điều khiển áp suất nói chung áp dụng rộng rãi hệ thống điều khiển áp suất cung cấp nước sạch, trì áp suất lò hơi, bảo quản, chế biến thực phẩm, khai thác dầu, nhà máy bia, y tế…và thực áp suất thấp nói riêng đóng vai trò quan trọng việc nghiên cứu phòng thí nghiệm kỹ thuật Việc áp dụng chúng với mục đích khác kỹ thuật điện vô tuyến điện đẩy mạnh phát triển kỹ thuật chân không ngày đòi hỏi tạo chân không cao độ (tức chất khí áp suất thấp) Đó lý chúng em chọn đề tài: “Thực áp suất thấp Sự đo áp suất thấp” làm đề tài tiểu luận Nhóm tác giả Mục lục I Áp suất chất khí Định nghĩa + Theo quan điểm vĩ mô : lực nén khí tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích thành bình p: áp suất chất khí ( N/m2) F: lực nén khí vuông góc với diện tích thành bình (N) + Theo quan điểm vi mô : lực phân tử chất khí tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích thành bình áp suất chất khí Công thức bản thuyết động học phân tử Trong : n mật độ phân tử khí động trung bình chuyển động tịnh tiến phân tử Nhận xét: • Áp suất thể tính chất vĩ mô tính chất chuyển động nhiệt phân tử • Công thức cho trường hợp, kết hoàn toàn không phụ thuộc hình dạng • Khảo sát áp suất bình, áp suất điểm Đơn vị áp suất • • • − − Trong hệ SI: áp suất gây nên lực niutơn tác dụng vuông góc lên diện tích 1m2, đơn vị áp suất niutơn mét vuông (kí hiệu N/m2) Trong hệ CGS: đơn vị áp suất dyn centimét vuông (kí hiệu dyn/cm 2) N/m2 = 10 dyn/cm2 Ngoài có đơn vị áp suất ngoại hệ átmốtphe kỹ thuật gọi tắt átmốtphe (kí hiệu at) Nếu dùng đơn vị lực kilôgam lực (kG) đơn vị diện tích cm2 thì: 1at = 1kG/cm2 = 9,81.104 N/m2 Atmophe vật lý áp suất gây nên trọng lượng cột thủy ngân cao 760mm (kí hiệu atm) Tor hay milimet thủy ngân áp suất gây nên trọng lượng cột thủy ngân cao 1mm (kí hiệu tor hay mmHg) torr = mmHg = 133,322 N/m2 Vậy atm = 760 mmHg = 1,013.105 N/m2=1,033 at 4 Nguyên lý đo áp suất Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu áp suất tĩnh Do vậy, đo áp suất chất lưu thực chất xác định lực tác dụng lên diện tích thành bình Đối với chất lưu không chuyển động chứa ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh điểm M cách bề mặt tự khoảng h xác định theo công thức: p = p0 + ρgh Trong đó: p0 áp suất khí ρ: khối lượng riêng chất lưu g: gia tốc trọng trường Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng cảm biến đặt sát thành bình Trong trường hợp này, áp suất cần đo cân với áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng mẫu tạo nên tác động lên vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực áp suất gây Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm phận chuyển đổi điện Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng thành bình Biến dạng hàm xác suất Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) tổng áp suất tĩnh (p t) áp suất động (pd): p = p t + pd Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên chất lỏng không chuyển động Áp suất động chất lưu chuyển động gây nên có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lưu: Khi dòng chảy va đập vuông góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng áp suất tổng Do áp suất động đo thông qua chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Thông thường việc đo hiệu áp suất (p - pt) thực nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ống Pitot (hình 1), cảm biến (1) đo áp suất tổng, cảm biến (2) đo áp suất tĩnh Hình 1: Đo áp suất động ống Có thể đo áp suất động cách đặt áp suất tổng lên mặt trước áp suất tĩnh lên mặt sau màng đo (hình 2), tín hiệu cảm biến cung cấp chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Hình 2: Đo áp suất động màng Phương trình trạng thái khí lý tưởng Phương trình xác định mối liên hệ ba thông số trạng thái chất khí gọi phương trình trạng thái khí lí tưởng Để lập phương trình này, ta xét lượng khí từ trạng thái (p1, V1, T1) sang trạng thái (p2, V2, T2) qua trạng thái trung gian 1' (p', V2, T1) đẳng trình học trước (hình 3) + Áp dụng định luật Boyle – Mariote cho trình chuyển trạng thái từ (1) sang (1’): p1V1 = p’V2 (*) + Áp dụng định luật Charles cho trình chuyển từ trạng thái (1’) sang (2):  vào (*): Ta dễ dàng chứng minh được: Hình hay Phương trình nhà vật lí n Pháp Cla-pê-rôn (Clapeyron, 1799 - 1864) đưa năm 834 phương trình trạng thái khí lý tưởng hay phương Cla-pê-rôn 6 Các định luật khí lý tưởng a Định luật Boyle-Mariotte (1662-1672) • • • Điều kiện: T = const Phương trình: p.V = const Phát biểu: Trong trình đẳng nhiệt lượng khí định, áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích • Đường đẳng nhiệt: Đường biểu diễn biến thiên áp suất theo thể tích nhiệt độ không đổi • Đồ thị: b Định luật Charles (1787) • • Điều kiện: V = const Phương trình: • Phát biểu: Trong trình đẳng tích lượng khí định, áp suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối • Đường đẳng tích: Đường biểu diễn biến thiên áp suất theo nhiệt độ thể tích không đổi • Đồ thị: c Định luật Gay- Lussac (1802) • • Điều kiện: p = const Phương trình: • Phát biểu: Trong trình đẳng áp lượng khí định, thể tích tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối • Đường đẳng áp: Đường biểu diễn biến thiên thể tích theo nhiệt độ áp suất không đổi • Đồ thị: II Áp suất thấp Định nghĩa Các tượng truyền tượng khác chất khí liên quan chặt chẽ với λ= kT 2π r p , , p giảm λ tăng, muốn va chạm phân tử Ta biết p giảm ta phải giảm mật độ khí bình (p = nkT) cách hút bớt khí bình Càng hút bớt khí p giảm, tăng > d (d kích thước bình) Lúc phân tử khí va chạm vào thành bình không va chạm trình chuyển động nhiệt Áp suất giảm đến mức gọi áp suất thấp Trạng thái khí áp suất thấp (trạng thái khí kém) cho > d (d khoảng cách thành bình) gọi chân không Ví dụ: p = 10-6 mmHg, bình 1m3, vài chục mét Bình có áp suất thấp gọi bình chân không Như vậy, khái niệm chân tính chất tương đối việc quy định bình thiết lập chân không hay chưa tùy thuộc vào kích thước bình Tính chất Các tượng truyền khí khác so với trường hợp áp suất bình thường Để cụ thể ta xét tượng dẫn nhiệt khí Giả sử, ta lấy song song A A2 (với nhiệt độ tương ứng T > T2) đặt cách khoảng d Giữa hai có khí dẫn nhiệt từ A đến A2 Chừng > d dẫn nhiệt xảy mô tả trên: phân tử chuyển động hỗn loạn truyền động từ lớp qua lớp Lúc này, hệ số dẫn nhiệt D không phụ thuộc áp suất p Khi áp suất giảm xuống thấp cho ≥ d tượng dẫn nhiệt xảy khác hẳn: phân tử khí va chạm vào A có động tương ứng với nhiệt độ T1 Phân tử khí bay sang va chạm A lại phân tử bật từ A trở lại, truyền bớt động để lại Phân tử tiếp tục bay tận A lấy phần lượng để lại có động Vậy dẫn nhiệt phân tử trực tiếp nhận động phân tử thành bình A1 chuyển phần động cho phân tử thành bình A Số phân tử ngày giảm (tức p giảm) tức tác nhân gây truyền nhiệt ngày truyền nhiệt Vậy chân không D phụ thuộc d Thực nghiệm cho thấy áp suất thấp, hệ số dẫn nhiệt D phụ thuộc áp suất III Thực áp suất thấp Dưới sơ lược phương pháp thực chân không thường dùng kỹ thuật chân không đại Bơm dầu (bơm thứ cấp) a Giới thiệu Trong kỹ thuật người ta thường gọi với tên bơm sơ cấp, loại máy tạo chân không bơm dầu loại thông dụng Nhưng thường cho chân không vào khoảng 10-2 – 10-4 mmHg nên muốn tạo chân không cao phải ghép nhiều tầng bơm chân không mà tầng bơm dầu d Cấu tạo nguyên lý hoạt động bơm dầu Bơm gồm khối kim loại hình trụ chuyển động lệch trục lòng hình trụ thân bơm làm kim loại Hai gạt đặt rãnh khối trụ có lò xo đẩy ra, chia khoảng không gian khối trụ thành thân bơm làm hai miền Rotor satato thiết kế lệch tâm Trên rotor có hai rãnh Trong hai rãnh lắp cách cánh gạt lò xo Lo xò đảm bảo cánh gạt tỳ vào thành stato Khi rotor quay tạo thành khoang máy bơm, khoang giãn, khoang nén, khoang Ba khoang thay đổi cách tuần hoàn rotor quay Tại khoang giãn thể tích tăng lên nên hút lượng khí vào khoang Rotor quay, khoang trở thành khoang giữa, thành khoang nén khí bị nén lại, áp suất khoang nén tăng tới giá trị định làm mở van xả 8, khí qua van xả khỏi máy bơm Cả máy bơm nhấn ngập thùng dầu Bằng cách dầu bít kín toàn khe hở máy bơm ngăn không khí, quay ngược trở lại, đồng thời bôi trơn, làm mát nâng cao hiệu hoạt động máy bơm Vì loại bơm gọi bơm Hình 4: Cấu tạo bơm dầu dầu bơm học Bơm khuếch tán a Giới thiệu Muốn tạo áp suất thấp áp suất đạt bơm dầu, chủ yếu người ta dùng bơm khuếch tán hay gọi bơm ngưng tụ Nhưng bơm hút khí từ bình áp suất lớn Bởi phải nối với bơm dầu (bơm sơ cấp) loại vừa mô tả 10 e Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo bơm khuếch tán buồng đốt nhiều tầng Người ta sử dụng buồng đốt để đun sôi loại dầu (gọi dầu chân không) có nhiệt độ hóa thấp Các dòng dầu bay lên hấp phụ phân tử khí khuếch tán từ môi trường cần tạo chân không cao Sau hấp phụ, dầu làm lạnh bị rơi xuống, nhả phân tử khí theo đường khác (nhờ hệ bơm học kèm) quay trở lại buồng đốt Thông thường bơm khuếch tán ghép nhiều tầng (phổ biến dùng 2- bơm khuếch tán) Các bơm khuếch tán đại tạo chân không với áp suất vào bật 10 -9–10-11 Hình 5: Cấu tạo bơm khuếch tán mmHg số điều kiện đặc biệt tạo áp suất thấp Nhưng muốn có chân không cao độ cần có bơm khuếch tán tốt mà cần phải có hệ thống chân không (gồm ống dẫn khí bình đựng khí) thật kín Để giúp cho việc tạo chân không cao độ thuận tiện đồng thời để trì chân không cao độ tạo được, người ta đặt vào bình cần hút khí chất “thu khí” than Than hút khí lại bình mà bơm khuếch tán không hút khỏi bình Titan (Ti) hút khối lượng lớn khí Hyđrô Ngày nay, người ta dùng phương pháp ion hóa chất khí IV Sự đo áp suất thấp Áp kế Mắc Lêốt Người ta chế tạo dụng cụ đo áp suất thấp dựa định luật nén ép đoạn nhiệt khí lý tưởng Đầu C áp kế nối với bình phải đo áp suất Giả sử áp suất phải đo p Đầu tiên, chất khí có áp suất p chiếm đầy phần áp kế kể bầu E Khi nhấc bình A nối với phần lại áp kế ống cao su, thủy ngân dâng lên cách ly bầu E ống mao dẫn B khỏi bình phải đo áp suất Sau cho thủy ngân lên cao mức định ống mao dẫn B lúc mực thủy ngân ống C cao mực thủy ngân ống mao dẫn B khoảng h 11 B C C E E A A Hình 6: Áp kế Mắc Lêốt Áp dụng định luật Bôilơ Mariốt ta dễ dàng xác định áp suất phải đo p nghĩa áp suất khí bị giam bầu E ống mao dẫn B trước bị nén Nếu gọi thể tích tổng cộng bầu E ống mao dẫn B V thể tích khí sau bị nén lại ống mao dẫn B V2 ta viết p2: áp suất khí sau bị nén ống mao dẫn Ta có: p2 = h + p1 p1 nhỏ so với h (p1[...]... dùng để đo áp suất thấp hơn áp suất khí quyển 15 a Đồng hồ áp suất âm dạng ống Bourdon Hình 7: Đồng hồ áp suất âm dạng ống Bourdon Được thiết kế bên trong là một ống cung tròn, một đầu nối với môi trường cần đo, đầu còn lại nối với hệ thống cơ và kim chỉ thị đo áp suất kế (áp suất chân không) f Đồng hồ áp suất âm dạng màng Là dạng áp kế có màng ngăn cách ly ở giữa môi trường cần đo áp suất và áp kế Màng... người ta còn dùng phương pháp ion hóa chất khí IV Sự đo áp suất thấp 1 Áp kế Mắc Lêốt Người ta chế tạo dụng cụ đo áp suất thấp dựa trên định luật nén ép đoạn nhiệt của khí lý tưởng Đầu C của áp kế nối với bình phải đo áp suất Giả sử rằng áp suất phải đo bằng p 1 Đầu tiên, chất khí có áp suất p 1 chiếm đầy mọi phần của áp kế kể cả bầu E Khi nhấc bình A nối với phần còn lại của áp kế bằng ống cao su, thủy... Sơ đồ của áp kế nhiệt điện V Ứng dụng áp suất thấp 1 Công nghệ phun sương áp suất thấp Biện pháp xử lý bụi phù hợp đối với các cơ sở chế biến đá xây dựng cần áp ứng 3 tiêu chí như sau: hiệu quả dập bụi cao, không làm ướt dây chuyền sản xuất và giảm chất lượng đá thương phẩm, tiết kiệm lượng nước tiêu hao Người ta đã nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm thành công hệ thống phun sương áp suất thấp tiết... ngưng tụ lại và không thay đổi áp suất • Hơi thủy ngân dùng trong áp kế làm hại sức khỏe • Không cho phép ta theo dõi liên tục sự biến thiên của áp suất 9 Áp kế ion hóa Hiện nay trong kỹ thuật đo chân không áp kế ion hóa đã thay thế cho áp kế Mắc Lêốt Áp kế ion hóa hoạt động dựa trên nguyên tắc sau Ta đã biết sự ion hóa phân tử (hay nguyên tử) của chất khí cần đo áp suất được thực hiện bằng va chạm... đốt catốt K bằng biến trở R Áp kế ion hóa cho phép ta đo áp suất chất khí trong khoảng từ 10 -3 đến 10-12 mmHg Tuy nhiên, áp kế này có nhược điểm là các số ghi trên bảng đo áp suất của nó phụ thuộc thành phần cấu tạo của chất khí (hệ số tỷ lệ γ khác nhau đối với các khí khác nhau) 10 .Áp kế nhiệt điện Để đo áp suất trong khoảng từ 0.1 đến 10 -3 mmHg, người ta thường dùng áp kế nhiệt điện dựa trên cơ... suất và áp kế Màng ngăn là màng trung gian nhận trực tiếp áp suất từ môi trường đo và tác động trực tiếp lên áp kế Đồng hồ áp suất dạng màng thường dùng trong môi trường nước thải, nước dầu, được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy lọc nước, hó chất, thủy điện, Hình 8: Đồng hồ áp suất âm dạng màng 16 g Đồng hồ áp suất âm dạng điện dung Là loại áp kế hoạt động dựa trên nguyên tắc đo điện dung 2 bản cực... nguyên tắc đo điện dung 2 bản cực của tụ, một bản cực được kết vào màng, bản còn lại được cố định Áp suất đo dựa vào giá trị điện dung của tụ điện, khi áp suất thay đổi sẽ kéo theo sự thay đổi của điện dung Hình 9: Đồng hồ áp suất âm dạng điện dung 12.Quạt li tâm áp suất thấp a Ứng dụng: Quạt ly tâm áp suất thấp kiểu CF.4-70 được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực như: • Lắp đặt cho các công trình cấp... hệ thống nghiền sàng đá công nghiệp bằng hệ thống phun sương áp suất thấp Biện pháp này có thiết kế đơn giản, dễ vận hành, cần lượng nước không nhiều, đem lại hiệu quả dập bụi đạt 71 - 89% 11.Ứng dụng đồng hồ đo áp suất âm trong các ngành công nghệ thực phẩm, cơ khí, điện tử,… Trong công nghiệp hiện nay việc đo áp suất âm hay còn gọi là áp suất chân không không còn xa lạ nữa và là sản phẩm rất cần thiết... -3 mmHg, người ta thường dùng áp kế nhiệt điện dựa trên cơ sở phụ thuộc độ dẫn nhiệt của khí vào áp suất Trong khoảng áp suất từ 0.1 đến 0.001 mmHg thì độ dẫn nhiệt gần đúng là tỷ lệ với áp suất Trong bình thủy tinh hình trụ L có đặt một cặp nhiệt điện T (pin nhiệt điện) Bình này nối với bình khí có áp suất thấp cần đo bằng ống C Chỗ mối hàn T của cặp nhiệt điện được đun nóng do dính sát vào điểm A... ly bầu E cùng ống mao dẫn B khỏi bình phải đo áp suất Sau đó cho thủy ngân lên cao nữa cho tới một mức nhất định trong ống mao dẫn B và lúc ấy mực thủy ngân trong ống C cao hơn mực thủy ngân trong ống mao dẫn B một khoảng h nào đó 11 B C C E E A A Hình 6: Áp kế Mắc Lêốt Áp dụng định luật Bôilơ Mariốt ta dễ dàng xác định được áp suất phải đo p 1 nghĩa là áp suất của khí bị giam trong bầu E và ống mao