01 · 定義
一牛頓的力均勻分佈在一平方米上所產生的壓力。這個單位極小:我們周圍的大氣就是十萬帕斯卡。
帕斯卡之小並非缺陷,而是系統老實構建的結果:它由牛頓和米組成,沒有任何湊數的係數。實用中靠詞頭周旋——氣象報告用百帕,通風用千帕,液壓用兆帕,材料學用吉帕。這個量最要緊的性質在別處:壓力不取決於力,而取決於這力落在多大的面積上。同一個女人穿細高跟能把地板壓出坑,穿運動鞋卻不留痕跡,因爲支承面積相差二百倍。
在靜止液體中,壓力向各個方向傳遞得一樣大——這正是帕斯卡本人的發現。液壓機由此而來:用手壓小活塞,大活塞上同樣的壓力乘以更大的面積,便給出幾十倍的力。汽車千斤頂、煞車和任何壓力機都靠這條規則活着;它同時解釋了爲什麼容器底部的壓力只取決於液柱高度,而與容器是窄是寬無關。
02 · 換算
帕斯卡、巴、大氣壓、毫米汞柱
沒有哪一行直接使用帕斯卡:氣象用百帕計,輪胎業用巴,醫生用毫米汞柱,美國工程用磅每平方英吋。
標準大氣壓被定義爲恰好十萬一千三百二十五帕斯卡——這是七百六十毫米高的汞柱在零度、標準重力加速度下的壓力。工程大氣壓則是另一回事:千克力每平方釐米,九萬八千零六十六點五帕斯卡。兩者相差百分之三,在舊的蘇聯設備銘牌上兩種都能見到。
| 單位 | 名稱 | 數值 | 常見於何處 |
|---|---|---|---|
| Pa | 帕斯卡,SI 單位 | 101325 | 物理計算 |
| hPa | 百帕 | 1013 | 天氣預報 |
| kPa | 千帕 | 101.33 | 通風、醫學 |
| MPa | 兆帕 | 0.1013 | 液壓、強度 |
| GPa | 吉帕 | 1.013·10⁻⁴ | 材料的彈性模數 |
| N/m² | 牛頓每平方米 | 101325 | 與帕斯卡相同 |
| bar | 巴 | 1.01 | 工程,SI 之前的氣象 |
| atm | 標準大氣壓 | 1 | 化學,參比條件 |
| at | 工程大氣壓,kgf/cm² | 1.03 | 蘇聯設備銘牌 |
| mmHg | 毫米汞柱,託 | 760 | 醫學、真空技術 |
| psi | 磅每平方英吋 | 14.7 | 英語國家的工程 |
| Ba | 巴林,CGS 制 | 1013250 | SI 之前的聲學與物理 |
牛頓每平方米與帕斯卡是同一回事,區別只在寫法。百帕在數值上等於毫巴,所以氣象學家改用 SI 時不必改動習慣的數字
03 · 數量級
從加速器的真空到太陽內部十萬一千三百二十五——海平面上的大氣壓
04 · 測量儀器
用什麼測量壓力
一根橢圓截面的空心管,彎成弧形,受壓時力圖伸直,這一運動經槓桿傳到指針上。1849 年發明,此後幾乎未變:任何壓縮機和氣瓶上裝的正是它。
抽空了空氣的波紋膜盒隨大氣而收縮、舒張;彈簧不讓它塌下去。這是一件不含一滴水銀的儀器,因此叫作無液盒——無液的意思。
在矽上蝕刻出的膜片彎曲若干微米,嵌在其中的電阻隨之改變阻值。這類感測器裝在手機、汽車和氣象站裏,價格比指針式壓力錶還便宜。
壓力很低時已無膜片可彎,便換一種量法:按加熱絲散去的熱量來量。氣體越稀薄,帶走的熱越少,由加熱功率便可判斷壓力,一直到千分之一帕斯卡。
05 · 書寫規則
P 大寫,a 小寫
符號取自姓氏,因此首字母大寫,第二個字母小寫:Pa。詞頭緊貼、不加空格,其中千用小寫,兆與吉用大寫:kPa、MPa、GPa。俄文符號寫作 Па。
小寫 m 表示毫,於是寫成 mPa 的兆帕就變成了毫帕——差了十億倍。第三個例子並不完整:工程上幾乎總是給出從大氣壓算起的表壓,不加註明數字便有歧義。絕對壓以字母 a 標註,表壓以 g 標註,在英文文獻中就寫作 psia 和 psig。
07 · 歷史部分
空氣是怎樣被認定有重量的
伽利略的一位學生把灌滿水銀的管子封住,倒扣進盆裏:水銀柱降到七百六十毫米就停住了。其上留下一段空虛,而科學在此之前一直認爲那是不可能的。
布萊茲·帕斯卡請姐夫把氣壓計帶上奧弗涅一座火山的山頂。水銀柱下降了八釐米:山上的空氣壓得比谷地弱,可見大氣是有重量的。
工程師按千克力每平方釐米計算,氣象學家引入了巴和毫巴,醫生留在毫米汞柱上。同一只壓力錶在不同國家帶着不同的刻度。
第十四屆國際計量大會給這個單位起了自己的名字,儘管它自六〇年起就在系統中了。氣象學家改用百帕毫無痛楚:百帕在數值上等於毫巴。
絕對壓、表壓,以及儀表所示
幾乎每一個壓力錶量的都不是壓力,而是差值:管內相對於管外。所以漏了氣的輪胎顯示零,其實裏面還有空氣;家用血壓計給出的一百二十毫米,是加在大氣的七百六十之上的。絕對壓力要把大氣壓加上纔得到,而進入氣體狀態方程的正是它——把兩種基準弄混,至今仍是熱工計算裏最常見的錯誤。還有一處獨立的細節關乎汞柱:它的高度取決於汞的密度,而密度取決於溫度,所以定義中寫明零度和標準重力加速度。醫學忽略這項修正,計量學不忽略;如今壓力的原級標準不再建立在汞上,而建立在活塞式壓力計上,由已知質量的砝碼壓在面積精確測定的活塞上給出壓力。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個國際單位制基本單位、二十二個有專名的導出單位,以及工程和日常都離不開的非國際制單位。每個單位一頁:定義、換算、儀器、書寫規則。共 34 種語言。
有專名的 SI 導出單位
帕斯卡檔案已打開SI 基本單位
赭色者爲千克、米和秒,帕斯卡由它們組成非國際制單位
赭色者爲其他制式的壓力單位檔案語言
34 種語言。符號 Pa 是國際通用的,日常習慣的單位卻不同:歐洲天氣預報用百帕,美國用英吋汞柱,俄羅斯用毫米汞柱。