壓力單位很簡單;參考點則不然
大多數壓力轉換只是普通乘法——psi 轉換為 kPa、bar 轉換為 atm——和其他任何單位對一樣不會造成麻煩。壓力測量中真正的、與安全相關的錯誤根本不是錯誤的轉換係數。問題在於使用兩個相對於不同基準點測量壓力的數字,卻將它們視為可比較的。
相對壓力和絕對壓力不是相同的量
相對壓力是相對於周圍大氣壓力測量的——測量值為 0 表示「與周圍空氣相同」,而不是「沒有壓力」。絕對壓力是相對於真空測量的。兩者的差異取決於當地的大氣壓力,在海平面大約是 101.3 kPa(14.7 psi),而這個偏差恰好就是如果使用錯誤參考點所造成的錯誤大小。
實際例子:輪胎
輪胎測量器讀取的「32 psi」是相對壓力:比輪胎外大氣高 32 psi。因此,輪胎內部的絕對壓力大約是 32 + 14.7 ≈ 46.7 psi。輪胎製造商、輪胎測量器和汽車車門內的壓力標籤按照慣例都指定相對壓力,因此這本身很少造成實際錯誤——當有人將相對壓力數字代入物理或工程計算(例如理想氣體定律)時,錯誤就會出現,而理想氣體定律要求絕對壓力,但他們忘記加上 14.7 psi。
實際例子:晴雨表
天氣報告採用相反的慣例。預報中的「1013 hPa」是一個絕對壓力數字,更準確地說是海平面校正的絕對壓力(見下文),而不是相對於某個參考點的壓力。標準大氣壓力 101,325 Pa 正好是在 1954 年由第 10 屆度量衡大會確定為「1 氣壓」的,而這同樣的 101.325 kPa 必須加回到相對壓力讀取值上才能得到絕對壓力。
單位概況
| 單位 | 確切關係 | 典型用途 |
|---|---|---|
| 帕斯卡(Pa) | SI 基本單位:1 N/m² | 科學/工程基本單位;很少單獨引用,因為太小 |
| Bar | 正好 100,000 Pa | 歐洲輪胎壓力、天氣圖、潛水 |
| 氣壓(atm) | 正好 101,325 Pa | 化學、潛水、定義「標準條件」 |
| PSI | ≈6,894.757 Pa(來自 lbf/in²) | 美國/英國輪胎壓力、液壓、壓縮氣體 |
| mmHg(慣例) | 133.322387415 Pa | 血壓、舊的氣壓讀取值 |
| Torr | 101,325/760 = 133.3223684… Pa | 真空系統、物理 |
mmHg 和 Torr 足夠接近,相差約 0.14 百萬分之一(mmHg = 133.322387415 Pa vs Torr = 101,325/760 = 133.322368421… Pa,在約 133.3 Pa 的基數上相差 1.899×10⁻⁵ Pa),大多數參考資料將它們視為可互換,但它們的定義並不完全相同:mmHg 來自特定的慣例汞密度結合標準重力加速度,而 Torr 被定義為標準大氣的確切 1/760 分數。在真空物理學中,這種區別偶爾會發揮作用,傾向於特別使用 Torr,因為其定義根本不依賴於汞的物理性質。
高度表設定問題
航空依賴絕對壓力來確定高度,並依賴該參考值是最新的。飛機高度表在機械上是一個氣壓計,校準為讀取高度而非壓力——它需要被告知當前的本地海平面等效壓力,即高度表設定值或 QNH,以將其原始壓力讀取值轉換為相對平均海平面的正確高度。從高氣壓區飛入低氣壓區而不更新該設定,高度表會繼續以舊的、更高的參考值讀取,因此它顯示的高度比飛機的真實高度更高。標準飛行員記憶法是「從高到低,小心下方」:誤差朝向危險方向,表示比實際存在的地形間隙更多的間隙。作為一個粗略的工作數字,高度表設定中 1 hPa 的誤差對應於海平面附近約 30 英尺(9 m)的高度誤差;確切的數字隨高度和溫度變化,因為大氣壓力隨高度呈對數下降而非線性下降,但飛行員被訓練使用 30 ft per hPa 作為快速心算檢查的標準經驗法則。
為什麼天氣壓力要校正到海平面
原始的或「測站」大氣壓力隨高度下降——在美國標準大氣中,海拔一英里(1,609 m)時約 83,430 Pa,而海平面為 101,325 Pa,大約低 18%,而天氣沒有任何變化。(丹佛的真實測站壓力約為 835–843 hPa,與該數字一致。)報告原始測站壓力會使每個高海拔城市看起來永久位於嚴重的低氣壓系統中,因此氣象報告將測站壓力校正為如果測站位於海平面時的讀取值,使用已知的測站高度。這個海平面調整後的數字,而不是原始傳感器讀取值,正是預報中的「1013 hPa」實際代表的內容:這是相對壓力/絕對壓力區分之外的第二個、單獨的校正,也是為什麼給定位置的原始壓力傳感器和該位置發佈的天氣數字很少完全匹配的另一個原因。
負相對壓力有其自己的術語
相對壓力可以變成負數,當測量的壓力低於周圍大氣時,處理這種情況的行業常規地給它一個單獨的名稱「真空」,而不是寫一個負號。冷媒技術人員在充電前排空空調管線時,觀察英寸汞真空的測量讀取值,努力達到大約 28-30 inHg 真空(接近但不等於完美真空),然後才認為管線乾燥到足以充電。該數字仍然是相對壓力測量,只是從大氣向下計數而不是向上計數,它轉換為絕對壓力的方式與正情況相同:從本地大氣壓力中減去它而不是加上它。
一條解決日常大多數混淆的規則
如果壓力讀取值來自設計用於坐在較大的環境壓力內的東西,如輪胎、水肺罐或液壓管線,假設為相對壓力。如果它來自描述大氣本身的東西,如天氣報告、潛水深度表或飛機高度表,假設為絕對壓力,或至少是海平面校正的絕對壓力。這兩種慣例都根深蒂固且在各自領域都是合理的;只有當一個數字從一個領域跨越到為另一個領域構建的計算時,才會出現錯誤。