附录3 压力的测量及仪器

压力是指均匀垂直作用于单位面积上的力，也可把它叫作压力强度，或简称压强。国际单位制（SI）用帕斯卡作为通用的压力单位，以Pa或帕表示。当作用于1 m2（平方米）面积上的力为1 N（牛顿）时就是1 Pa（帕斯卡）：

但是，原来的许多压力单位，例如，标准大气压（或称物理大气压，简称大气压）、工程大气压（即kg·cm-2）、巴等现在仍然在使用。物理化学实验中还常选用一些标准液体（例如汞）制成液体压力计，压力大小就直接以液体的高度来表示。它的意义是作用在液柱单位底面积上的液体重量与气体的压力相平衡或相等。例如，1 atm可以定义为：在0℃、重力加速度等于9.80665 m·s-2时，760mm高的汞柱垂直作用于底面积上的压力。此时汞的密度为13.5951g·cm-3。因此，1 atm又等于1.03323kg·cm-2。上述压力单位之间的换算关系见表3.3-1。

除了所用单位不同之外，压力还可用绝对压力、表压和真空度来表示。图3.3-1说明三者的关系。显然，在压力高于大气压的时候：

绝对压=大气压+表压或表压=绝对压-大气压

在压力低于大气压的时候：

绝对压=大气压-真空度或真空度=大气压-绝对压

当然，上述式子等号两端各项都必须采用相同的压力单位。

一、测压仪表

1．液柱式压力计。

液柱式压力计是物理化学实验中用得最多的压力计。它构造简单、使用方便，能测量微小压力差，测量准确度比较高，且制作容易，价格低廉，但是测量范围不大，示值与工作液体密度有关。它的结构不牢固，耐压程度较差。现简单介绍一下U形压力计。

液柱式U形压力计由两端开口的垂直U形玻璃管及垂直放置的刻度标尺所构成。管内下部盛有适量工作液体作为指示液。图3.3-2中U形管的两支管分别连接于两个测压口。因为气体的密度远小于工作液的密度，因此，由液面差Δh及工作液的密度ρ、重力加速度g可以得到下式：

U形压力计可用来测量：

两气体压力差；

气体的表压（p1为测量气压，p2为大气压）；

气体的绝对压力（令p2为真空，p1所示即为绝对压力）；

气体的真空度（p1通大气，p2为负压，可测其真空度）。

2．弹性式压力计。

利用弹性元件的弹性力来测量压力，是测压仪表中相当重要的一种形式。由于弹性元件的结构和材料不同，它们具有各不相同的弹性位移与被测压力的关系。物化实验室中接触较多的为单管弹簧管式压力计。这种压力计的压力由弹簧管固定端进入，通过弹簧管自由端的位移带动指针运动，指示压力值。如图3.3-3所示。

使用弹性式压力计时应注意以下几点：

（1）合理选择压力表量程。为了保证足够的测量精度，选择的量程应在仪表分度标尺的1/2～3/4范围内。

（2）使用时环境温度不得超过35度，如超过应给予温度修正。

（3）测量压力时，压力表指针不应有跳动和停滞现象。

（4）对压力表应定期进行校验。

3. 福廷式气压计。

福廷式气压计的构造如图3.3-4所示。它的外部是一黄铜管，管的顶端有悬环，用以悬挂在实验室的适当位置。气压计内部是一根一端封闭的装有水银的长玻璃管。玻璃管封闭的一端向上，管中汞面的上部为真空，管下端插在水银槽内。水银槽底部是一羚羊皮袋，下端由螺旋支持，转动此螺旋可调节槽内水银面的高低。水银槽的顶盖上有一倒置的象牙针，其针尖是黄铜标尺刻度的零点。此黄铜标尺上附有游标尺，转动游标调节螺旋，可使游标尺上下游动。

福廷式气压计是一种真空压力计，其原理如图3.3-5所示：它以汞柱所产生的静压力来平衡大气压P，汞柱的高度就可以度量大气压力的大小。在实验室，通常用毫米汞柱（mmHg）作为大气压力的单位。毫米汞柱作为压力单位时，它的定义是：当汞的密度为13.5951g·cm-3（即0℃时汞的密度，通常作为标准密度，用符号ρ0表示），重力加速度为980.555cm·s-2（即纬度45°的海平面上的重力加速度，通常作为标准重力加速度，用符号g0表示）时，1mm高的汞柱所产生的静压力为1mmHg。mmHg与Pa单位之间的换算关系为：

（1）福廷式气压计的使用方法。

①慢慢旋转螺旋，调节水银槽内水银面的高度，使槽内水银面升高。利用水银槽后面磁板的反光，注视水银面与象牙尖的空隙，直至水银面与象牙尖刚刚接触，然后用手轻轻叩一下铜管上面，使玻璃管上部水银面凸面正常。稍等几秒钟，待象牙针尖与水银面的接触无变动为止。

② 调节游标尺：转动气压计旁的螺旋，使游标尺升起，并使下沿略高于水银面。然后慢慢调节游标，直到游标尺底边及其后边金属片的底边同时与水银面凸面顶端相切。这时观察者眼睛的位置应和游标尺前后两个底边的边缘在同一水平线上。

③读取汞柱高度：当游标尺的零线与黄铜标尺中某一刻度线恰好重合时，则黄铜标尺上该刻度的数值便是大气压值，不须使用游标尺。当游标尺的零线不与黄铜标尺上任何一刻度重合时，那么游标尺零线所对标尺上的刻度，则是大气压值的整数部分（mm）。再从游标尺上找出一根恰好与标尺上的刻度相重合的刻度线，则游标尺上刻度线的数值便是气压值的小数部分。

④ 整理工作：记下读数后，将气压计底部螺旋向下移动，使水银面离开象牙针尖。记下气压计的温度及所附卡片上气压计的仪器误差值，然后进行校正。

（2）气压计读数的校正。

水银气压计的刻度是以温度为0℃，纬度为45°的海平面高度为标准的。若不符合上述规定时，从气压计上直接读出的数值，除进行仪器误差校正外，在精密的工作中还必须进行温度、纬度及海拔高度的校正。

① 仪器误差的校正：由于仪器本身制造的不精确而造成读数上的误差称“仪器误差”。仪器出厂时都附有仪器误差的校正卡片，应首先加上此项校正。

② 温度影响的校正：由于温度的改变，水银密度也随之改变，因而会影响水银柱的高度。同时由于铜管本身的热胀冷缩，也会影响刻度的准确性。当温度升高时，前者引起偏高，后者引起偏低。由于水银的膨胀系数较铜管的大，因此当温度高于0℃时，经仪器校正后的气压值应减去温度校正值；当温度低于0℃时，要加上温度校正值。气压计的温度校正公式如下：

式中，p为气压计读数（mmHg）; t为气压计的温度（度）; α为水银柱在0℃～35℃之间的平均体膨胀系数（α=0.0001818）; β为黄铜的线膨胀系数（β=0.0000184）; p0为读数校正到0℃时的气压值（mmHg）。显然，温度校正值即为。其数值列有数据表，实际校正时，读取p，t后可查表求得。

③海拔高度及纬度的校正：重力加速度（N·kg-1）随海拔高度及纬度不同而异，致使水银的重量受到影响，从而导致气压计读数的误差。其校正办法是：经温度校正后的气压值再乘以（1-2.6×10-3cos2λ-3.14×10-7H）。式中，λ为气压计所在地纬度（度）; H为气压计所在地海拔高度（m）。此项校正值很小，在一般实验中可不必考虑。

④其他如水银蒸气压的校正、毛细管效应的校正等，因校正值极小，一般都不考虑。

（3）使用时注意事项：

① 调节螺旋时动作要缓慢，不可旋转过急。

②在调节游标尺与汞柱凸面相切时，应使眼睛的位置与游标尺前后下沿在同一水平线上，然后再调到与水银柱凸面相切。

③ 发现槽内水银不清洁时，要及时更换水银。

4．空盒气压表。

空盒气压表是由随大气压变化而产生轴向移动的空盒组作为感应元件，通过拉杆和传动机构带动指针，指示出大气压值的。

空盒气压表体积小、重量轻，不需要固定，只要求仪器工作时水平放置。但其精确度不如福廷式气压计。

5．数字式气压计。

可取代水银气压计，测定室内大气压，采用三位或四位数字显示，使用环境温度- 10℃～40℃，量程（101.3±20）kPa，分辨率在0.1～0.01kPa。

二、真空技术

真空是指压力小于一个大气压的气态空间。真空状态下气体的稀薄程度，常以压强值表示。习惯上称作真空度。不同的真空状态，意味着该空间具有不同的分子密度。在现行的国际单位制（SI）中，真空度的单位与压强的单位均为帕斯卡（Pasca）。简称帕，符号为Pa。

在物理化学实验中，通常按真空度的获得和测量方法的不同，将真空区域划分为：粗真空102Pa～1kPa分子相互碰撞为主，分子自由程λ< 容器尺寸d。

低真空103～10-1Pa分子相互碰撞和分子与器壁碰撞不相上下λ≈d。

高真空10-1～10-6Pa分子与器壁碰撞为主，λ＞ d。

超高真空10-6～10-10Pa分子与器壁碰撞次数亦减少，形成一个单分子层的时间已达分钟或小时。

极高真空10-10Pa分子数目极为稀少，以致统计涨落现象较严重，与经典的统计理论产生偏离。

1. 真空的获得。

为了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出。凡是能从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置，均可称为真空泵。主要有水冲泵；机械泵；扩散泵；分子泵；钛泵；低温泵等。

实验室常用的真空泵为旋片式真空泵，如图3.3-6所示。一般只能产生1.333～0.1333 Pa的真空，其极限真空为0.1333～1.333×10-2Pa。它主要由泵体和偏心转子组成。经过精密加工的偏心转子下面安装有带弹簧的滑片，由电动机带动，偏心转子紧贴泵腔壁旋转。滑片靠弹簧的压力也紧贴泵腔壁。滑片在泵腔中连续运转，使泵腔被滑片分成的两个不同的容积呈周期性的扩大和缩小。气体从进气嘴进入，被压缩后经过排气阀排出泵体外。如此循环往复，将系统内的压力减小。

旋片式机械泵的整个机件浸在真空油中，这种油的蒸气压很低，既可起润滑作用，又可起封闭微小的漏气和冷却机件的作用。在使用机械泵时应注意以下几点：

（1）机械泵不能直接抽含可凝性气体的蒸气、挥发性液体等。因为这些气体进入泵后会破坏泵油的品质，降低油在泵内的密封和润滑作用，甚至会导致泵的机件生锈。因而必须在可凝气体进泵前先通过纯化装置。例如，用无水氯化钙、五氧化二磷、分子筛等吸收水分；用石蜡吸收有机蒸气；用活性炭或硅胶吸收其他蒸气等。

（2）机械泵不能用来抽含腐蚀性成分的气体。如含氯化氢、氯气、二氧化氮等的气体。因这类气体能迅速侵蚀泵中精密加工的机件表面，使泵漏气，不能达到所要求的真空度。遇到这种情况时，应当使气体在进泵前先通过装有氢氧化钠固体的吸收瓶，以除去有害气体。

（3）机械泵由电动机带动。使用时应注意马达的电压。若是三相电动机带动的泵，第一次使用时特别要注意三相马达旋转方向是否正确。正常运转时不应有摩擦、金属碰击等异声。运转时电动机温度不能超过50℃～60℃。

（4）机械泵的进气口前应安装一个三通活塞。停止抽气时应使机械泵与抽空系统隔开而与大气相通，然后再关闭电源。这样既可保持系统的真空度，又避免泵油倒吸。

扩散泵是利用工作物质高速从喷口处喷出，在喷口处形成低压，对周围气体产生抽吸作用而将气体带走，其极限真空度可达10-7Pa。

分子泵是一种纯机械的高速旋转的真空泵，一般可获得小于10-8Pa的无油真空。

钛泵的抽气机理通常认为是化学吸附和物理吸附的综合，一般以化学吸附为主，极限真空度在10-8Pa。

低温泵能达到极限真空的泵，其原理是靠深冷的表面抽气，它可获10-9～10-10Pa的超高真空或极高真空。

2. 真空的测量。

真空的测量实际上就是测量低压下气体的压力，常用的测压仪器有U形水银压力计，麦氏真空规，热偶真空规，电离真空规和数字式低真空压力测试仪等。

粗真空的测量一般用U形水银压力计，对于较高真空度的系统使用真空规。真空规有绝对真空规和相对真空规两种。麦氏真空规称为绝对真空规，即真空度可以用测量到的物理量直接计算而得。而其他如热偶真空规、电离真空规等均称为相对真空规，测得的物理量只能经绝对真空规校正后才能指示相应的真空度。

目前实验室中测量粗真空的水银压力计已被数字式低真空测压仪取代，该仪器是运用压阻式压力传感器原理测定实验系统与大气压之间的压差，消除了汞的污染，对环境保护和人类健康有极大的好处。该仪器的测压接口在仪器后的面板上。使用时，先将仪器按要求连接在实验系统上（注意实验系统不能漏气），再打开电源预热10min；然后选择测量单位，调节旋钮，使数字显示为零；最后开动真空泵，仪器上显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。

三、气体钢瓶及其使用

1. 气体钢瓶的颜色标记。

我国气体钢瓶常用的标记见表3.3-2。

2. 气体钢瓶的使用。

（1）在钢瓶上装上配套的减压阀。检查减压阀是否关紧，方法是逆时针旋转调压手柄至螺杆松动为止。

（2）打开钢瓶总阀门，此时高压表显示出瓶内贮气总压力。

（3）慢慢地顺时针转动调压手柄，至低压表显示出实验所需压力为止。

（4）停止使用时，先关闭总阀门，待减压阀中余气逸尽后，再关闭减压阀。

3. 注意事项：

（1）钢瓶应存放在阴凉、干燥、远离热源的地方。可燃性气瓶应与氧气瓶分开存放。

（2）搬运钢瓶要小心轻放，钢瓶帽要旋上。

（3）使用时应装减压阀和压力表。可燃性气瓶（如H2、C2H2）气门螺丝为反丝；不燃性或助燃性气瓶（如N2、O2）为正丝。各种压力表一般不可混用。

（4）不要让油或易燃有机物沾染到气瓶上（特别是气瓶出口和压力表上）。

（5）开启总阀门时，不要将头或身体正对总阀门，防止万一阀门或压力表冲出伤人。

（6）不可把气瓶内气体用光，以防重新充气时发生危险。

（7）使用中的气瓶每三年应检查一次，装腐蚀性气体的钢瓶每两年检查一次，不合格的气瓶不可继续使用。

（8）氢气瓶应放在远离实验室的专用小屋内，用紫铜管引入实验室，并安装防止回火装置。

4. 氧气减压阀的工作原理。

氧气减压阀的外观及工作原理见图3.3-7和图3.3-8。

氧气减压阀的高压腔与钢瓶连接，低压腔为气体出口，并通往使用系统。高压表的示值为钢瓶内贮存气体的压力。低压表的出口压力可由调节螺杆控制。

使用时先打开钢瓶总开关，然后顺时针转动低压表压力调节螺杆，使其压缩主弹簧并传动薄膜、弹簧垫块和顶杆而将活门打开。这样进口的高压气体由高压室经节流减压后进入低压室，并经出口通往工作系统。转动调节螺杆，改变活门开启的高度，从而调节高压气体的通过量并达到所需的压力值。

减压阀都装有安全阀。它是保护减压阀并使之安全使用的装置，也是减压阀出现故障的信号装置。如果由于活门垫、活门损坏或其他原因，导致出口压力自行上升并超过一定许可值时，安全阀会自动打开排气。

5. 氧气减压阀的使用方法。

（1）按使用要求的不同，氧气减压阀有许多规格。最高进口压力大多为150kg·cm-2（约150×105Pa），最低进口压力不小于出口压力的2.5倍。出口压力规格较多，一般为0～1kg·cm-2（1×105Pa），最高出口压力为40kg·cm-2（约40×105Pa）。

（2）安装减压阀时应确定其连接规格是否与钢瓶和使用系统的接头相一致。减压阀与钢瓶采用半球面连接，靠旋紧螺母使二者完全吻合。因此，在使用时应保持两个半球面的光洁，以确保良好的气密效果。安装前可用高压气体吹除灰尘。必要时也可用聚四氟乙烯等材料作垫圈。

（3）氧气减压阀应严禁接触油脂，以免发生火警事故。

（4）停止工作时，应将减压阀中余气放净，然后拧松调节螺杆以免弹性元件长久受压变形。

（5）减压阀应避免撞击振动，不可与腐蚀性物质相接触。

6. 其他气体减压阀。

有些气体，例如氮气、空气、氩气等永久性气体，可以采用氧气减压阀。但还有一些气体，如氨等腐蚀性气体，则需要专用减压阀。市面上常见的有氮气、空气、氢气、氨、乙炔、丙烷、水蒸气等专用减压阀。

这些减压阀的使用方法及注意事项与氧气减压阀基本相同。但是，还应该指出：专用减压阀一般不用于其他气体。为了防止误用，有些专用减压阀与钢瓶之间采用特殊连接口。例如氢气和丙烷均采用左牙螺纹，也称反向螺纹，安装时应特别注意。

参考资料：

[1]A. 罗恩著. 真空技术翻译组译. 真空技术. 北京:机械工业出版社，1980.

[2] 真空设计手册编写组. 真空设计手册（上册）. 北京:国防工业出版社，1979.