01 · 定义
一牛顿的力均匀分布在一平方米上所产生的压强。这个单位极小:我们周围的大气就是十万帕斯卡。
帕斯卡之小并非缺陷,而是系统老实构建的结果:它由牛顿和米组成,没有任何凑数的系数。实用中靠词头周旋——气象通报用百帕,通风用千帕,液压用兆帕,材料学用吉帕。这个量最要紧的性质在别处:压强不取决于力,而取决于这力落在多大的面积上。同一个女人穿细高跟能把地板压出坑,穿运动鞋却不留痕迹,因为支承面积相差二百倍。
在静止液体中,压强向各个方向传递得一样大——这正是帕斯卡本人的发现。液压机由此而来:用手压小活塞,大活塞上同样的压强乘以更大的面积,便给出几十倍的力。汽车千斤顶、刹车和任何压力机都靠这条规则活着;它同时解释了为什么容器底部的压强只取决于液柱高度,而与容器是窄是宽无关。
02 · 换算
帕斯卡、巴、大气压、毫米汞柱
没有哪一行直接使用帕斯卡:气象用百帕计,轮胎业用巴,医生用毫米汞柱,美国工程用磅每平方英寸。
标准大气压被定义为恰好十万一千三百二十五帕斯卡——这是七百六十毫米高的汞柱在零度、标准重力加速度下的压强。工程大气压则是另一回事:千克力每平方厘米,九万八千零六十六点五帕斯卡。两者相差百分之三,在旧的苏联设备铭牌上两种都能见到。
| 单位 | 名称 | 数值 | 常见于何处 |
|---|---|---|---|
| Pa | 帕斯卡,SI 单位 | 101325 | 物理计算 |
| hPa | 百帕 | 1013 | 天气预报 |
| kPa | 千帕 | 101.33 | 通风、医学 |
| MPa | 兆帕 | 0.1013 | 液压、强度 |
| GPa | 吉帕 | 1.013·10⁻⁴ | 材料的弹性模量 |
| N/m² | 牛顿每平方米 | 101325 | 与帕斯卡相同 |
| bar | 巴 | 1.01 | 工程,SI 之前的气象 |
| atm | 标准大气压 | 1 | 化学,参比条件 |
| at | 工程大气压,kgf/cm² | 1.03 | 苏联设备铭牌 |
| mmHg | 毫米汞柱,托 | 760 | 医学、真空技术 |
| psi | 磅每平方英寸 | 14.7 | 英语国家的工程 |
| Ba | 巴林,CGS 制 | 1013250 | SI 之前的声学与物理 |
牛顿每平方米与帕斯卡是同一回事,区别只在写法。百帕在数值上等于毫巴,所以气象学家改用 SI 时不必改动习惯的数字
03 · 数量级
从加速器的真空到太阳内部十万一千三百二十五——海平面上的大气压
04 · 测量仪器
用什么测量压强
一根椭圆截面的空心管,弯成弧形,受压时力图伸直,这一运动经杠杆传到指针上。1849 年发明,此后几乎未变:任何压缩机和气瓶上装的正是它。
抽空了空气的波纹膜盒随大气而收缩、舒张;弹簧不让它塌下去。这是一件不含一滴水银的仪器,因此叫作空盒——无液的意思。
在硅上刻蚀出的膜片弯曲若干微米,嵌在其中的电阻随之改变阻值。这类传感器装在手机、汽车和气象站里,价格比指针式压力表还便宜。
压强很低时已无膜片可弯,便换一种量法:按加热丝散去的热量来量。气体越稀薄,带走的热越少,由加热功率便可判断压强,一直到千分之一帕斯卡。
05 · 书写规则
P 大写,a 小写
符号取自姓氏,因此首字母大写,第二个字母小写:Pa。词头紧贴、不加空格,其中千用小写,兆与吉用大写:kPa、MPa、GPa。俄文符号写作 Па。
小写 m 表示毫,于是写成 mPa 的兆帕就变成了毫帕——差了十亿倍。第三个例子并不完整:工程上几乎总是给出从大气压算起的表压,不加注明数字便有歧义。绝对压以字母 a 标注,表压以 g 标注,在英文文献中就写作 psia 和 psig。
07 · 历史部分
空气是怎样被认定有重量的
伽利略的一位学生把灌满水银的管子封住,倒扣进盆里:水银柱降到七百六十毫米就停住了。其上留下一段空虚,而科学在此之前一直认为那是不可能的。
布莱兹·帕斯卡请姐夫把气压计带上奥弗涅一座火山的山顶。水银柱下降了八厘米:山上的空气压得比谷地弱,可见大气是有重量的。
工程师按千克力每平方厘米计算,气象学家引入了巴和毫巴,医生留在毫米汞柱上。同一只压力表在不同国家带着不同的刻度。
第十四届国际计量大会给这个单位起了自己的名字,尽管它自六〇年起就在系统中了。气象学家改用百帕毫无痛楚:百帕在数值上等于毫巴。
绝对压、表压,以及仪表所示
几乎每一个压力表量的都不是压强,而是差值:管内相对于管外。所以漏了气的轮胎显示零,其实里面还有空气;家用血压计给出的一百二十毫米,是加在大气的七百六十之上的。绝对压强要把大气压加上才得到,而进入气体状态方程的正是它——把两种基准弄混,至今仍是热工计算里最常见的错误。还有一处独立的细节关乎汞柱:它的高度取决于汞的密度,而密度取决于温度,所以定义中写明零度和标准重力加速度。医学忽略这项修正,计量学不忽略;如今压强的原级标准不再建立在汞上,而建立在活塞式压力计上,由已知质量的砝码压在面积精确测定的活塞上给出压强。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个国际单位制基本单位、二十二个有专名的导出单位,以及工程和日常都离不开的非国际制单位。每个单位一页:定义、换算、仪器、书写规则。共 34 种语言。
有专名的 SI 导出单位
帕斯卡档案已打开SI 基本单位
赭色者为千克、米和秒,帕斯卡由它们组成非国际制单位
赭色者为其他制式的压强单位档案语言
34 种语言。符号 Pa 是国际通用的,日常习惯的单位却不同:欧洲天气预报用百帕,美国用英寸汞柱,俄罗斯用毫米汞柱。