2.2 流體靜力學
2.2.1 托里拆利與大氣壓計
托里拆利（Evangelista Torricelli，1608—1647，圖2-1），意大利物理學家、數學家。1608年10月15日出生于貴族家庭，幼年時表現出數學才能，20歲時在伽利略的得意門生數學家和水力學工程師B.卡斯特里指導下學習數學，畢業后成為他的秘書。1614年，托里拆利來到佛羅倫薩會見了伽利略，此時伽利略已雙目失明，終日臥病在床，在他生命的最后三個月里，托里拆利和伽利略的學生維維安尼記錄了伽利略的口述，成為伽利略最后一個學生。
圖2-1 托里拆利
1641年托里拆利發表了第一篇論文《論自由墜落物體的運動》，發展了伽利略關于運動的思想。1644年，托里拆利和維維安尼將一端封閉的玻璃管內裝滿汞后倒置于盛汞容器中，在玻璃管上端得到了“托里拆利真空”，汞柱高度為大氣壓。這個實驗引起了帕斯卡、蓋利克等對大氣壓研究的興趣。托里拆利提出了液體從小孔射流的定理：在盛有水的容器中，水面下小孔流出水的速度與小孔到液面高度的平方根以及重力加速度的2倍的平方根成正比。他還提出風源于空氣的密度差和溫度差。此外，他在磨制精良透鏡和將伽利略氣體溫度計改為液體溫度計方面也獲得了成功。
托里拆利在數學方面最大的貢獻是發展了卡瓦列里的“不可分原理”，后來牛頓和萊布尼茲將其發展為微積分學。他在《幾何學文集》中提出了許多新定理，如由直角坐標轉換為圓柱坐標的方法、計算規則的板狀物體重心的定理，還成功結合力學問題研究幾何學。1647年10月25日去世，年僅39歲。為了紀念托里拆利，人們曾將壓強單位命名為托（Torr），相當于1mm汞柱（1mm汞柱=133.322Pa）。
2.2.2 帕斯卡與帕斯卡定律
帕斯卡（1623—1662，圖2-2），法國數學家、物理學家、哲學家。1623年6月19日生于法國多姆山省克萊蒙費朗城。帕斯卡由于工作和學習過于勞累，從18歲起就病魔纏身，1662年8月19日在巴黎病逝，年僅39歲。為紀念帕斯卡，后人用他的名字命名壓強的單位。
圖2-2 帕斯卡
帕斯卡提出大氣壓強隨高度而變化，由于大氣壓力是由空氣重量產生的，因此在海拔越高的地方大氣壓越低。1648年他讓妹夫攜帶托里拆利氣壓計到山上測量氣壓，證實了其設想。帕斯卡建立了流體的帕斯卡定律，指出壓強在密封流體內部大小不變地傳向各個方向，為流體靜力學的建立奠定了基礎。他還提出了連通器原理和水壓機的最初設想。帕斯卡在數學方面的貢獻也很重要。1639年，他在一篇關于圓錐曲線的論文中提出了帕斯卡定理。他還提出了著名的帕斯卡三角形，闡明了代數中二項式展開的系數規律，19歲時發明了利用齒輪進行加減運算的加法器。
歐美國家習慣使用psi作壓強單位，psi英文全稱為pounds per square inch，換算為公制單位為：1bar≈14.5psi（1bar=105Pa）在壓力表以及通用的壓力裝置上通常有MPa和psi兩種標識。
2.2.3 煙囪的原理和煙囪效應
煙囪大約出現于14世紀，主要作用是促燃拔煙，排走煙氣。如圖2-3所示，設煙囪內熱空氣的密度為ρ熱，煙囪外面冷空氣密度為ρ冷，煙囪頂部大氣壓為p2，煙囪高度為H，則A點和B點壓強分別為：
pA=p2+ρ熱gH （2-1）
pB=p2+ρ冷gH （2-2）
圖2-3 煙囪原理
由于ρ熱<ρ冷，故pA<pB，于是空氣在壓差作用下不斷進入煙囪。
高層建筑內部設有樓梯間、排風道、送風道、排煙道、電梯井及管道井等豎向井道，當室內溫度高于室外溫度時，室內熱空氣因密度小，便沿著這些垂直通道自然上升，透過門窗縫隙及各種孔洞從高層部分排出，室外冷空氣因密度大，由低層進入補充，形成煙囪效應。
在煙囪效應的作用下，建筑內的自然通風、排煙排氣得以實現，但其負面影響也很多。例如，風沙通過低層部分各種孔洞、縫隙進入樓內，消耗熱量并污染室內。當發生火災時，隨著室內空氣溫度的急劇升高，體積迅速增大，煙囪效應更加明顯，此時，各種豎井就成為拔火拔煙的垂直通道，是火災垂直蔓延的主要途徑，助長火勢，擴大了災情。煙氣在豎向管井內的垂直擴散速度可達3～4m/s，對于高度為100m的高層建筑，煙火由底層竄至頂層只需30s左右。如果燃燒條件具備，整個大樓頃刻將成為一片火海。
2.2.4 液封的應用
液封適用于內外壓差不大、不適合安裝閥門時的密封，液封用的介質（如水或油）應不與密封氣體發生反應。液封應用廣泛，廚房或衛生間下水管一般使用帶有S彎的管子（圖2-4），以阻擋下水道中的異味。在塔器中，如果塔內正壓，采用液封可防止塔內氣體外漏，造成環境污染或浪費；如果塔內真空，采用液封可防止塔外氣體進入塔內。在精餾塔中，塔頂冷凝液回流時，須經過S形回流管，以防止塔內蒸汽逸出。
圖2-4 下水管的液封
2.2.5 壓力表
1849年，法國科學家尤金·波登（Bourdon）發明了壓力表（pressure gauge），其原理為：被測介質的壓力作用于壓力表的彈性元件，使其產生彈性變形，經拉桿帶動傳動機構放大，由指示裝置指示被測壓力。
普通壓力表的彈簧管多采用銅合金（高壓表采用合金鋼）。氨用壓力表彈簧管采用碳鋼或不銹鋼，不允許采用銅合金，這是因為氨與銅產生化學反應，會引起爆炸。氧氣壓力表與普通壓力表在結構和材質方面可以相同，但是氧用壓力表必須禁油，這是因為油進入氧氣系統易引起爆炸。氧氣壓力表校驗時，不能采用油作為工作介質，存放中要嚴格避免接觸油污。按所測介質不同，壓力表上應印有規定的色標，并注明特殊介質的名稱，如氧氣表必須標以紅色“禁油”字樣，氫氣表用深綠色下橫線色標，氨氣表用黃色下橫線色標。
隔膜壓力表用于測量黏稠或酸堿等特殊介質，其敏感元件由兩塊連接在一起的圓形波浪狀膜片組成，介質壓力作用在膜盒腔內側，產生的變形用來間接測量介質壓力。膜盒壓力表能測量微壓，將幾個膜盒敏感元件疊在一起可產生較大的傳遞力，用以測量極微小的壓力。精密壓力表的測壓彈性元件經過特殊工藝處理，與高精度的傳動機構配套調試后，能確保指示精度。精密壓力表按精度分為0.25％和0.4％，主要用來校驗工業用普通壓力表。
2.2.6 壓力傳感器
傳感器是將非電量（物理量、化學量、生物量等）按一定規律轉換成便于處理和傳輸的另一種物理量（通常為電量）的裝置，由敏感元器件（感知元件）和轉換器件兩部分組成。根據敏感元器件基本感知功能可分為氣敏、熱敏、光敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射線敏感、色敏等元件。
某些固體材料受到外力作用后，除了產生變形，其電阻率也會發生變化，這種由于應力的作用而使材料電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。利用半導體壓阻效應，可設計成多種類型傳感器，其中壓力傳感器和加速度傳感器是壓阻式傳感器的基本形式。
硅壓阻式壓力傳感器，由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。硅膜片是核心部分，其外形呈杯狀故名硅杯。在硅膜上，采用半導體工藝中的擴散摻雜法做成四個相等的電阻，經蒸鍍金屬電極及連線，接成惠斯登電橋再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側是和被測系統相連接的高壓腔，另一側是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。當膜片兩側存在壓力差時，膜片發生變形，產生應力應變，從而使擴散電阻的電阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓，其大小反映了膜片所受壓力差值。
2.2.7 壓強測量的要點
靜壓強的測量誤差與取壓孔處流體的流動狀態、孔的尺寸、孔的幾何形狀、孔軸的方向、孔的深度及開孔處壁面的粗糙度等有關［2］。
測壓點應盡量選在受流體流動干擾最小的地方。如果在管線上測壓，測壓點應選在離上游管件、閥門或其他障礙物40～50倍管內徑的距離。取壓孔尺寸越大，流線彎曲越嚴重，測量誤差也越大。理論上孔的尺寸越小越好，但孔口太小，加工困難，而且也容易被堵塞，使測壓的動態性能變差。取壓孔孔徑一般為0.5～1mm，精度要求較低時，孔徑可到1.5～2.5mm，孔的軸線要垂直于壁面，孔的邊緣不能有毛刺，孔周圍的管道壁面要光滑。
通過取壓孔所測壓強為取壓孔處的靜壓，為了消除管道斷面上各點的靜壓差及不均勻流動引起的誤差，可在取壓斷面上安裝測壓環（圖2-5），使各個測壓孔相互貫通。若管道尺寸不太大，且精度要求不高時，可用單個測壓孔代替測壓環。取壓口至測量儀表間，一般應安裝切斷閥門，以備檢修儀表時使用。
圖2-5 測壓環
當被測介質為氣體時，為了防止液體和粉塵進入導壓管，取壓口應開在管道上半平面，且與垂線的夾角為45°。壓強計宜安裝在取壓口的上方，若測壓儀表必須裝在取壓口下方，則應在導壓管的最低點裝設沉降器和排污閥，以便排出液體和粉塵。當被測介質為蒸氣時，取壓口一般開在管道的側面。當被測介質為液體時，壓強計應安裝在取壓口的下方，使取壓口至壓強計之間的導壓管方向都向下，這樣氣體就較難進入導壓管。如果測壓儀表裝在取壓口上方，則從取壓口引出的導壓管應先向下鋪設，然后再轉彎向上接測壓儀表，以形成液封，阻止氣體進入導壓管。
為了不引起二次環流，導壓管的管徑應細些，但細而長的導壓管阻尼作用大，會使測量的靈敏度下降。因此，導壓管的長度應盡可能短。當所測壓強波動較大時，為了使讀數穩定，可關小導壓管上的測壓閥或將導壓管彎成盤形。為了避免反應遲緩，導壓管的最大長度不得超過50m。若被測介質為液體，在導壓管內不能有氣體存在；若被測介質為氣體，在導壓管內不能有液體存在，否則會造成測量誤差。