壓力還是表壓力？如您打算搭建一個(gè)壓力控制的系統(tǒng)，應(yīng)該參照哪一個(gè)壓力呢？大多數(shù)應(yīng)用一般選擇沿用既定的慣例。然而，某些應(yīng)用中，需要控制的壓力剛好等于大氣壓或僅比大氣壓高一點(diǎn)點(diǎn)，例如過程分析儀上的背壓控制，或香煙濾嘴的流通性能測試，此類應(yīng)用中，采用壓力還是表壓力對過程系統(tǒng)的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。
圖1
壓力由分子作用于物體表面的動(dòng)能形成
壓力是指作用于物體表面的力，是由物體表面的分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能而形成。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知：壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比，與氣體體積成反比。假設(shè)將一剛性容器內(nèi)抽成真空，內(nèi)部不含任何物質(zhì)，即沒有壓力。往該容器中注入一定量氣體，則運(yùn)動(dòng)的氣體分子將產(chǎn)生作用于容器壁的壓力，如圖1。若將氣體分子數(shù)翻倍，則作用于容器壁的壓力亦翻倍，如圖2。然而，若將容器體積增大一倍，氣體分子具有了雙倍的空間，那么壓力則會(huì)減小一半，如圖3。氣體溫度升高也會(huì)導(dǎo)致壓力上升，因?yàn)闇囟鹊纳仙龑⑹沟脷怏w分子的動(dòng)能增大，從而增大氣體分子間的相互間作用力，如圖4。反之，降低溫度會(huì)導(dǎo)致壓力減小，這也就是為什么冬天的早晨汽車輪胎內(nèi)的壓力比較低。
圖2
增加剛性容器中氣體的質(zhì)量，則壓力增大
圖3
增大剛性容器的體積，則壓力減小
圖4
升高剛性容器內(nèi)氣體的溫度，則壓力增大
上述例子中開頭提到的真空是相對于壓力而言。壓力的數(shù)值一定不會(huì)是負(fù)數(shù)。表壓的數(shù)值是相對于當(dāng)?shù)卮髿鈮憾裕摯髿鈮毫Φ臄?shù)值為一壓力。換句話說，表壓力代表您的系統(tǒng)壓力比當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ω叨嗌倩虻投嗌佟Ｈ鐪y量的是表壓力，則實(shí)際壓力值等于表壓讀數(shù)加上當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γù髿鈮褐禐橐粔毫Γ?/p>
按照慣例，高于大氣壓的系統(tǒng)一般測量其表壓力。比如汽車輪胎的壓力就用表壓力來描述，因?yàn)槲覀兿胫垒喬?nèi)單位體積內(nèi)的空氣比輪胎外多多少。漏氣輪胎的表壓力為零，因?yàn)檩喬?nèi)的壓力就等于大氣壓。真空沉積應(yīng)用中通常采用壓力，因?yàn)轫殞⑾到y(tǒng)壓力控制在高于真空的某一壓力處。至此，還沒有完結(jié)。
您是否在冬天的早晨出行時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車輪胎壓力比較低？并不是您的輪胎壓力檢測系統(tǒng)發(fā)生了故障。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知，壓力與氣體的溫度、質(zhì)量成正比、與體積成反比。較低的氣溫使得汽車輪胎內(nèi)空氣分子的動(dòng)能減少，從而輪胎內(nèi)壓力下降。去年冬天AFC*賽上的“漏風(fēng)門"也是一樣的道理，橄欖球內(nèi)部的氣壓在寒冷的氣溫下會(huì)降低多達(dá)1.8psi的壓力。
更糟糕的是，大氣壓力會(huì)隨著海拔上升而減小，因?yàn)殡S著海拔上升，氣體分子的數(shù)量會(huì)隨之減少。處于真空的太空其實(shí)沒有壓力，而海平面處的平均壓力為14.696 psia (壓力)。因此，位于海平面的城市的大氣壓力比位于山上的城市高。如果測量的是壓力，其讀數(shù)會(huì)因?yàn)楹０蔚淖兓泻艽蟮牟煌?/p>
舉個(gè)例子，我們在艾里卡特總部所在地 —— 海拔2160英尺、平均大氣壓13.67 psia (壓力)的美國亞利桑那州圖森市，將一個(gè)空水瓶的瓶蓋擰緊，瓶子內(nèi)部的壓力等于環(huán)境壓力：絕壓13.67 psia、表壓0 psig。隨后我們將該水瓶攜帶至位于圖森北部、海拔9159英尺的雷蒙山山頂上，那里的大氣壓為10.44 psia，而此時(shí)密封瓶子內(nèi)的壓力仍為13.67 psia，表壓力則為3.23 psig (13.67-10.44=3.23)。
過程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的降低而變大
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，流體總是從壓力高的地方運(yùn)動(dòng)到壓力低的地方。倘若我們在雷蒙山山頂上將上述空瓶的瓶蓋擰開，瓶子內(nèi)、外的壓力差會(huì)將部分瓶內(nèi)空氣排至瓶外，直至瓶內(nèi)壓力到達(dá)與外界大氣壓相同的壓力10.44 psia，此時(shí)瓶內(nèi)表壓力為0。我們再次將瓶蓋擰緊，然后下山回到大氣壓為13.67 psia的艾里卡特總部所在地，此時(shí)瓶內(nèi)的壓力(10.44 psia)比外界大氣壓(13.67 psia)低，表壓力為-3.23 psig(10.44-13.67=-3.23 psig)。我們再將瓶蓋擰開，此時(shí)瓶外空氣將因?yàn)閴翰畹年P(guān)系往瓶內(nèi)運(yùn)動(dòng)，直至瓶內(nèi)的壓力上升至13.67 psia。
過程系統(tǒng)的表壓讀數(shù)因大氣壓的增大而變小
氣溫對大氣壓力的高或低也略有影響。一天中的大氣壓力是波動(dòng)的，通常上午10點(diǎn)達(dá)到峰值、下午4點(diǎn)位于谷值，其差異在赤道地區(qū)為顯著，因?yàn)槌嗟栏浇牡厍蜃赞D(zhuǎn)與一天內(nèi)的溫度波動(dòng)大。除了一天內(nèi)大氣壓本身的波動(dòng)外，氣溫的因素也會(huì)使其高于或低于平均值。同一地點(diǎn)的大氣壓力在一年之間會(huì)產(chǎn)生0.3psi的上下浮動(dòng)。那些暴風(fēng)雨頻繁、熱帶低氣壓或時(shí)常有龍卷風(fēng)光顧的地區(qū)，甚至?xí)霈F(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)大氣壓波動(dòng)很大的現(xiàn)象。
還是以艾里卡特總部所在地美國亞利桑那州圖森市為例，圖森的平均大氣壓為13.7 psia，峰值13.8 psia、谷值13.6 psia。倘若要將目標(biāo)系統(tǒng)控制在一個(gè)僅高于大氣壓0.3 psi的壓力點(diǎn)上，應(yīng)該選表壓壓力控制器還是絕壓壓力控制器呢？如左下圖所示，表壓將受到大氣壓變化的影響而變得不穩(wěn)定，但這些波動(dòng)并不可視，因?yàn)楸韷鹤x數(shù)始終為0.3 psig。絕壓控制則呈現(xiàn)穩(wěn)定的控制，如右下圖所示，盡管大氣壓是波動(dòng)的，但壓力以真空作為參照，而非大氣壓。
絕壓控制可消除大氣壓波動(dòng)的影響，穩(wěn)定整個(gè)壓力控制過程
被控壓力值越高于大氣壓，上述大氣壓波動(dòng)產(chǎn)生的影響越小。在圖森，若壓力設(shè)定值為100 psig，則壓力將在113.6 ~ 113.8 psia區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；若壓力設(shè)定值為113.7 psia，那么僅+/- 0.1 psi的浮動(dòng)對過程系統(tǒng)的影響是微乎其微的。
上面的例子說明了在測量與控制壓力時(shí)選擇正確壓力參照標(biāo)準(zhǔn)的重要性。若要在過程系統(tǒng)內(nèi)生成一不受外界大氣壓影響的、絕緣的壓力環(huán)境，則須使用絕壓壓力控制器；若要維持一相對于大氣壓而言的某一壓力數(shù)值，則選用表壓壓力控制器。當(dāng)大氣壓力發(fā)生上升或下降波動(dòng)時(shí)，表壓壓力控制器將通過增加或排除空氣來維持目標(biāo)壓力差。如我們所見，那些被控壓力與大氣壓力相差無幾的應(yīng)用，采用絕壓壓力控制器效果可能更好。
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