Самые ранние известия о мерах, дошедшие до нас относятся к глубокой древности, когда уже вовсю развились скотоводство и земледелие, возникла письменность, образовались сравнительно большие государства. За три тысячи лет до н. э. в Египте уже применялись довольно точно установленные и узаконенные единицы длины, площади и веса. Строительство мелиорационных систем, возведение храмов и дворцов, сооружение гигантских пирамид было бы невозможно без измерений.
Почти за две тысячи лет до н. э. в древней Азии получила широкое распространение шумеро-вавилонская система мер и весов. В Греции, начиная с VI в. до н. э., и несколько позднее в Риме, при сооружении храмов и строительстве дорог и водопроводов также использовались сравнительно точно установленные единицы длины и веса.
Русские летописи и другие источники содержат довольно подробные сведения о мерах и весах, имевших хождение на Руси с XI по XVII в. Наконец, имеется много данных о мусульманских мерах и весах, применявшихся с VIII в. до наших дней.
Последующее бурное развитие цивилизации открывало все новые и новые физические явления, вследствие чего появилась необходимость в обозначении физических величин.
На протяжении всей истории развития техники, ученые пытались систематизировать и унифицировать единицы измерения, с целью создания единой системы измерения и упрощения физических расчетов. Без этого затруднялось развитие торговли, промышленности, сельского хозяйства, строительство технических сооружений и т.д. Так в XIX в. была создана метрическая система мер и в 1875 г. ряд государств и Россия подписали метрическую конвенцию. Тогда же было организовано Международное бюро мер и весов. Позже и США с Англией приняли метрическую систему.
Следует отметить, что на протяжении всей истории техники появлялось большое множество систем измерений: СГСБ, СГСФ, МКГСС и др.
В 1901 г. итальянский инженер Джорджи предложил систему единиц МКС, в которой за основные единицы приняты метр, килограмм и секунда.
Десятая Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. решила, что Международная система должна быть универсальной и охватывать все области измерений, и в качестве основных единиц следует принять метр, килограмм, секунду, ампер, градус Кельвина и канделу.
В настоящее время на просторах бывшего СССР в технической гидравлике применяются несколько систем единиц. Наиболее употребительны две из них: техническая МКГСС и международная система СИ.
В системе МКГСС за основные приняты единицы: длины — метр (м), силы — килограмм-сила (кгс), времени — секунда (сек). 1 кгс представляет собой силу, сообщающую 1 килограмму массы (кг) ускорение, равное ускорению свободного падения g—9,8lм/сек2. В 1961 г. Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР утвердил ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц» СИ.
В качестве основных в системе СИ установлено шесть независимых друг от друга единиц: длины — метр, массы — килограмм, времени — секунда, силы электрического тока — ампер, термодинамической температуры — кельвин, силы света — кандела, из которых выводятся единицы всех остальные производных физических величин.
В системе СИ принято, так же как для других систем, единиц, правило сокращенного обозначения единиц измерения в виде одной, двух или трех букв. Единицы измерения, наименования которых образованы по именам ученых, пишут с прописной (заглавной) буквы, например, ньютон — Н, паскаль — Па, остальные обозначения единиц пишут строчными (малыми) буквами. Для всех обозначений единиц (в отличие от прежних стандартов и рекомендаций) используют прямой шрифт.
В механике и гидравлике, изучающей законы механики жидкостей, основными единицами СИ являются: единицы длины (метр, м), массы (килограмм, кг) и времени (секунда, с); дополнительной единицей — измерения плоского угла — радиан (рад). Из приведенных производных единиц рассмотрим единицы силы, давления, работы и мощности: Ньютон (Н) —сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы. Паскаль (Па)—давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2. Джоуль (Дж) —работа силы 1 Н при перемещении ею тела на расстояние 1 м в направлении действия силы. Ватт (Вт)—мощность, при которой работа 1 Дж совершается за время 1 с.
1.Власов А.Д. Единицы физических величин в науке и технике. Справочник. «Энергоиздат», 1990 г. 2. Гидравлика. Учебник для сельскохозяйственных техникумув по специальности «Гидромелиорация». «Энергия», 1973 г.
Физические величины и параметры, единицы измерения
Под величинами подразумевают те характеристики явлений, которые определяют явления и процессы и могут существовать независимо от состояния среды и условий. К таким, например, относятся электрический заряд, напряженность поля, индукция, электрический ток и т. д. Среда и условия, в которых протекают явления, определяемые данными величинами, могут изменить эти величины в основном только количественно.
Под параметрами подразумевают такие характеристики явлений, которые определяют свойства сред и веществ и влияют на соотношение между собственно величинами. Они не могут существовать самостоятельно и проявляются лишь в их действии на собственно величины.
К параметрам относятся, например, электрическая и магнитная постоянные, удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, остаточная индукция, параметры электрических цепей (сопротивление, проводимость, емкость, индуктивность на единицу длины или объема в данном устройстве) и др.
Значения физических параметров
Значения параметров обычно зависят от условий, в которых протекает данное явление (от температуры, давления, влажности и т. п.), но при постоянстве этих условий параметры сохраняют свои значения неизменными и поэтому называются также постоянными.
Изучение любого явления в физике не ограничивается только установлением качественных зависимостей между величинами, эти зависимости должны быть оценены количественно. Без знания количественных зависимостей нет действительного представления о данном явлении.
Количественно же величина может быть оценена только путем измерения ее, т. е. путем экспериментального сравнения заданной физической величины с одинаковой по физической природе величиной, принятой за единицу измерения.
Измерение может быть прямым или косвенным. При прямом измерении величину, значение которой необходимо определить, непосредственно сравнивают с единицей измерения. При косвенном измерении значения искомой величины находят вычислением по результатам прямых измерений других величин, связанных с данной определенным соотношением..
Установление единиц измерения крайне важно как для развития науки при исследованиях и установления физических законов, так и в практике для ведения технологических процессов, а также для контроля и учета.
Единицы измерения разных величин могут устанавливаться произвольно, без учета связи их с другими величинами, или с учетом таких связей. В первом случае при подстановке числовых значений в уравнение связи необходимо еще дополнительно учитывать эти связи. Во втором случае необходимость в последнем отпадает.
В каждой системе единиц различают основные и производные единицы. Основные единицы устанавливают произвольно, при этом обычно исходят из какого-либо характерного физического явления или свойства вещества или тела. Основные единицы должны быть независимы друг для друга и число их должно определяться необходимостью и достаточностью для образования всех производных единиц.
Так, например, число основных единиц, необходимых для описания электрических и магнитных явлений, равно четырем. В качестве основных единиц не обязательно принимать единицы измерения основных величин.
Важно лишь, чтобы число основных единиц измерения было равно числу основных величии, а также чтобы их можно было воспроизвести (в виде эталонов) с максимальной точностью.
Производными единицами называются единицы, установленные на основании закономерностей, связывающих величину, для которой устанавливается единица, с величинами, единицы которых установлены независимо.
Для получения производной единицы какой-либо величины записывают уравнение, выражающее связь этой величины с величинами, определяемыми основными единицами, и затем, приравняв коэффициент пропорциональности (если он в уравнении имеется) единице, заменяют величины единицами измерения и выражают их через основные единицы. Следовательно, размерность единиц совпадает с размерностью соответствующих величин.
Основные системы единиц в электротехнике
Единицы систем СГС оказались в большинстве случаев неудобными для практики (слишком большими или слишком малыми), что привело к созданию системы практических единиц, кратных единицам системы СГС (ампер, вольт, ом, фарада, кулон и т. д.). Они и были положены в основу получившей в свое время широкое распространение системы МКСА, исходными единицами которой являются метр, килограмм (масса), секунда и ампер.
Удобство этой системы единиц (получившей название абсолютной практической системы) заключается в том, что все ее единицы совпадают с практическими, благодаря чему в формулах связи между величинами, выраженными в этой системе единиц, исчезла необходимость во введении добавочных коэффициентов.
В системе СИ семь исходных единиц: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела.
Для оценки величин, значительно превышающих по размерам данную единицу измерения, либо значительно меньше ее, применяются кратные и дольные значения единиц. Эти единицы получаются путем присоединения к наименованию основной единицы соответствующей приставки.
Способ задания значений температуры – температурная шкала. Известно несколько температурных шкал.
Основные температурные показатели в единицах измерения разных шкал:
ДЛИНА
Единица измерения в СИ – метр (м).
Кратные и дольные единицы рекомендуемые: км, см, мм, мкм; единица допускаемая: дм; 1 дм = 0,1 м.
ПЛОЩАДЬ
Sq (square) – квадратный.
ОБЪЕМ
UK – United Kingdom – Соединенное Королевство (Великобритания); US – United Stats (США).
Удельный объем
Единица измерения в СИ – м 3 /кг.
МАССА
Единица измерения в СИ – кг.
Дольные единицы рекомендуемые: г, мг, мкг; единица допускаемая: тонна (т), 1т = 1000 кг.
ПЛОТНОСТЬ
Плотность, в т.ч. насыпная
Линейная плотность
Единица измерения в СИ – кг/м.
Поверхностная плотность
СКОРОСТЬ
Линейная скорость
Единица измерения в СИ – м/с.
УСКОРЕНИЕ
РАСХОД
Массовый расход
Единица измерения в СИ – кг/с.
Объемный расход
Единица измерения в СИ – м 3 /с.
Удельный объемный расход
Расход сорбата (например, Cl2) при фильтровании через слой сорбента (например активного угля)
СИЛА, ВЕС
Единица измерения в СИ – Н.
Удельный вес
ДАВЛЕНИЕ, НАПОР
Единица измерения в СИ – Па, кратные единицы: МПа, кПа.
Cпециалисты в своей работе продолжают применять устаревшие, отмененные или ранее факультативно допускаемые единицы измерения давления: кгс/см 2 ; бар; атм. (физическая атмосфера); ат (техническая атмосфера); ата; ати; м вод. ст.; мм рт. ст; торр.
Для практических расчетов можно принять: 1 lbf/in 2 ≈ 1 lb/in 2 ≈ 7 кПа. Но, по сути, равенство неправомерно, как и 1 lbƒ = 1 lb, 1 кгс = 1 кг. PSIg (psig) – то же, что PSI, но указывает избыточное давление; PSIa (psia) – то же, что PSI, но акцентирует: давление абсолютное; а – absolute, g – gauge (мера, размер).
Напор воды
Единица измерения в СИ – м.
Потери давления во время фильтрования
РАБОТА, ЭНЕРГИЯ, КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
Единица измерения в СИ – Джоуль (по имени английского физика Дж. П. Джоуля).
В теплотехнике продолжают применять отмененную единицу измерения количества теплоты – калорию (кал, cal).
МОЩНОСТЬ, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК
Единица измерения в СИ – Ватт (Вт) – по имени английского изобретателя Дж. Уатта – механическая мощность, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж, или тепловой поток, эквивалентный механической мощности в 1 Вт.
Поверхностная плотность теплового потока
ВЯЗКОСТЬ
Динамическая вязкость (коэффициент вязкости), η.
Единица измерения в СИ – Па · с. 1 Па · с = 1 Н · с/м 2 ; внесистемная единица – пуаз (П). 1 П = 1 дин · с/м 2 = 0,1 Па·с.
Кинематическая вязкость, ν.
Единица измерения в СИ – м 2 /с; Единица см 2 /с называется «Стокс» (по имени английского физика и математика Дж. Г. Стокса).
НАПРЯЖЕННОСТЬ
Единица напряженности магнитного поля в СИ – А/м (Ампер/метр). Ампер (А) – фамилия французского физика А.М. Ампера.
Ранее применялась единица Эрстед (Э) – по имени датского физика Х.К. Эрстеда. 1 А/м (A/m, At/m) = 0,0125663 Э (Ое)
ТВЕРДОСТЬ
Сопротивление раздавливанию и истиранию ми неральных фильтрующих материалов и вообще всех минералов и горных пород косвенно определяют по шкале Мооса (Ф. Моос – немецкий минералог).
В этой шкале числами в возрастающем порядке обозначают минералы, расположенные таким образом, чтобы каждый последующий был способен оставлять царапину на предыдущем. Крайние вещества в шкале Мооса: тальк (единица твердости – 1, самый мягкий) и алмаз (10, самый твердый).
Твердость минералов и горных пород можно определять также по шкале Кнупа (А. Кнуп – немецкий минералог). В этой шкале значения определяются по размеру отпечатка, оставляемого на минерале при вдавливании в его образец алмазной пирамиды под определенной нагрузкой.
Соотношения показателей по шкалам Мооса (М) и Кнупа (К):
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Единица измерения в СИ – Бк (Беккерель, названный в честь французского физика А.А. Беккереля).
Бк (Bq) – единица активности нуклида в радиоактивном источнике (активность изотопа). 1 Бк равен активности нуклида, при которой за 1 с происходит один акт распада.
Концентрация радиоактивности: Бк/м 3 или Бк/л.
Активность – это число радиоактивных распадов в единицу времени. Активность, приходящаяся на единицу массы, называется удельной.
Доза излучения
Доза излучения – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы (поглощенная доза). Доза накапливается со временем облучения. Мощность дозы ≡ Доза/время.
Единица поглощенной дозы в СИ – Грэй (Гр, Gy). Внесистемная единица – Рад (rad), соответствующая энергии излучения в 100 эрг, поглощенной веществом массой 1 г.
Эрг (erg – от греч.: ergon – работа) – единица работы и энергии в нерекомендуемой системе СГС.
Керма (сокр. англ.: kinetic energy released in matter) – кинетическая энергия, освобожденная в веществе, измеряется в грэях.
Эквивалентная доза определяется сравнением излучения нуклидов с рентгеновским излучением. Коэффициент качества излучения (К) показывает, во сколько раз радиационная опасность в случае хронического облучения человека (в сравнительно малых дозах) для данного вида излучения больше, чем в случае рентгеновского излучения при одинаковой поглощенной дозе. Для рентгеновского и γ-излучения К = 1. Для всех других видов излучений К устанавливается по радиобиологическим данным.
Единица поглощенной дозы в СИ – 1 Зв (Зиверт) = 1 Дж/кг = 102 бэр.
Мощность эквивалентной дозы – Зв/с.
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Проницаемость пористых сред (в том числе горных пород и минералов)
РАЗМЕРЫ ЧАСТИЦ
Размеры частиц, зерен (гранул) фильтрующих материалов по СИ и стандартам других стран
В США, Канаде, Великобритании, Японии, Франции и Германии размеры зерен оценивают в мешах (англ. mesh – отверстие, ячейка, сеть), то есть по количеству (числу) отверстий, приходящихся на один дюйм самого мелкого сита, через которое могут пройти зерна. И эффективным диаметром зерен считается размер отверстия в мкм. В последние годы чаще применяются системы мешей США и Великобритании.
Соотношение между единицами измерения размеров зерен (гранул) фильтрующих материалов по СИ и стандартам других стран:
КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРОВ
Содержание вещества в определенном объеме или массе раствора или растворителя называется концентрацией вещества в растворе. Наиболее часто применяют следующие способы выражения концентрации растворов.
Массовая доля
Концентрация растворов и растворимость
Концентрацию раствора нужно отличать от растворимости – концентрации насыщенного раствора, которая выражается массовым количеством вещества в 100 массовых частях растворителя (например г/100 г).
Объемная концентрация
Объемная концентрация – это массовое количество растворенного вещества в определенном объеме раствора (например: мг/л, г/м 3 ).
Молярная концентрация
Моляльная концентрация
Моляльная концентрация – число молей вещества, содержащегося в 1000 г растворителя (моль/кг).
Нормальный раствор
Нормальным называется раствор, содержащий в единице объема один эквивалент вещества, выраженный в массовых единицах: 1Н = 1 мг · экв/л = = 1 ммоль/л (с указанием эквивалента конкретного вещества).
Эквивалент
Соотношения между единицами измерения концентрации растворов (Формулы перехода от одних выражений концентраций растворов к другим):
ЖЕСТКОСТЬ И ЩЕЛОЧНОСТЬ ВОДЫ
Согласно ГОСТ 8.417-2002 единица количества вещества установлена: моль, кратные и дольные единицы (кмоль, ммоль, мкмоль).
Единица измерения жесткости в СИ – ммоль/л; мкмоль/л.
В разных странах часто продолжают использовать отмененные единицы измерения жесткости воды:
Здесь: ч. – часть; перевод градусов в соответствующие им количества СаО, MgO, CaCO3, Ca(HCO3)2, MgCO3 показан в качестве примеров в основном для немецких градусов; размерности градусов привязаны к кальцийсодержащим соединениям, так как в составе ионов жесткости кальций, как правило, составляет 75–95%, в редких случаях – 40–60%. Числа округлены в основном до второго знака после запятой.
Соотношение между единицами измерения жесткости воды:
1 ммоль/л = 1 мг · экв/л = 2,80°Н (немецкий градус) = 5,00 французского градуса = 3,51 английского градуса = 50,04 американского градуса.
Новая единица измерения жесткости воды – российский градус жесткости – °Ж, определяемый как концентрация щелочноземельного элемента (преимущественно Са 2+ и Mg 2+ ), численно равная ½ его моля в мг/дм 3 (г/м 3 ).
Единицы измерения щелочности – ммоль, мкмоль.
ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ, ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ
Единица измерения электропроводимости в СИ – мкСм/см.
Электропроводимость растворов и обратное ей электросопротивление характеризуют минерализацию растворов, но только – наличие ионов. При измерении электропроводимости не могут быть учтены неионогенные органические вещества, нейтральные взвешенные примеси, помехи, искажающие результаты, – газы и др. Невозможно расчетным путем точно найти соответствие между значениями удельной электропроводимости и сухим остатком или даже суммой всех отдельно определенных веществ раствора, так как в природной воде разные ионы имеют разную удельную электропроводимость, которая одновременно зависит от минерализации раствора и его температуры. Чтобы установить такую зависимость, необходимо несколько раз в году экспериментально устанавливать соотношение между этими величинами для каждого конкретного объекта.
Для чистых растворов хлорида натрия (NаСl) в дистилляте приблизительное соотношение:
Это же соотношение (приближенно) с учетом приведенных оговорок может быть принято для большей части природных вод с минерализацией до 500 мг/л (все соли пересчитываются на NаСl).
При минерализации природной воды 0,8–1,5 г/л можно принять:
а при минерализации – 3–5 г/л:
СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ
Содержание в воде взвешенных примесей, прозрачность и мутность воды
Содержание взвешенных примесей измеряется в мг/л, прозрачность – в см.
Мутность воды выражают в единицах:
Дать точное соотношение единиц мутности и содержания взвешенных веществ невозможно. Для каждой серии определений нужно строить калибровочный график, позволяющий определять мутность анализируемой воды по сравнению с контрольным образцом.
Приблизительно можно представить: 1 мг/л (взвешенных веществ) ≡ 1–5 единиц NTU.
Если у замутняющей смеси (диатомовая земля) крупность частиц – 325 меш, то: 10 ед. NTU ≡ 4 ед. JTU.
ГОСТ 3351-74 и СанПиНы 2.1.4.1074-01 приравнивают 1,5 ед. NTU (или 1,5 мг/л по кремнезему или каолину) 2,6 ед. FTU (ЕМФ).
Соотношение между прозрачностью по шрифту и мутностью:
Соотношение между прозрачностью по «кресту» (в см) и мутностью (в мг/л):
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ
В США и в некоторых других странах минерализацию выражают в относительных единицах (иногда в гранах на галлоны, gr/gal):
Для измерения минерализации соленых вод, рассолов и солесодержания конденсатов правильнее применять единицы: мг/кг. В лабораториях пробы воды отмеряют объемными, а не массовыми долями, поэтому целесообразно в большинстве случаев количество примесей относить к литру. Но для больших или очень малых значений минерализации ошибка будет чувсвительной.
Для соленых вод и рассолов иногда применяют единицы измерения солености в градусах Боме (для минерализации >50 г/кг):
Сухой и прокаленный остаток
Сухой и прокаленный остаток измеряются в мг/л. Сухой остаток не в полной мере характеризует минерализацию раствора, так как условия его определения (кипячение, сушка твердого остатка в печи при температуре 102–110°С до постоянной массы) искажают результат: в частности, часть бикарбонатов (условно принимается – половина) разлагается и улетучивается в виде СО2.
Десятичные кратные и дольные единицы измерения величин
Десятичные кратные и дольные единицы измерения величин, а также их наименования и обозначения следует образовывать с помощью множителей и приставок, приведенных в таблице:
