На рисунке 120 показано водомерное стекло парового котла, где 1 — паровой котёл, 2 — краны, 3 — водомерное стекло. Объясните действие этого прибора.

рис. 120

Водомерное стекло парового котла предназначено для визуального контроля уровня жидкости (воды) внутри котла. Оно работает на основе принципов гидростатики и равновесия давлений. Чтобы понять действие прибора, нужно рассмотреть несколько основных физических законов, которые лежат в его основе:

1. Принцип сообщающихся сосудов

Водомерное стекло является частью системы, которая по сути представляет собой сообщающиеся сосуды. Сообщающиеся сосуды — это две или более емкости, соединенные между собой и заполненные одной и той же жидкостью. Если такие сосуды открыты к атмосферному давлению или другому одинаковому внешнему давлению, то уровень жидкости в них будет одинаковым. Это происходит из−за того, что давление на одной и другой стороне сосуда должно быть равным на одной горизонтальной линии.

2. Давление в жидкостях

Давление в жидкости увеличивается с глубиной, согласно формуле:
$$ P = \rho \cdot g \cdot h, $$
где:
− $ P $ — давление на глубине $ h $,
− $ \rho $ — плотность жидкости,
− $ g $ — ускорение свободного падения,
− $ h $ — глубина (высота столба жидкости).

Если два сосуда соединены и содержат одну и ту же жидкость, то давление у их основания оказывается одинаковым, и уровни жидкости устанавливаются на одинаковой высоте.

3. Пар и вода в паровом котле

Паровой котел — это устройство, в котором происходит нагрев воды до состояния кипения, с образованием пара. Внутри парового котла существует два основных пространства:
− нижняя часть, где содержится жидкая вода,
− верхняя часть, заполненная водяным паром (газообразное состояние воды).

Пар, находящийся над жидкостью, оказывает давление на поверхность воды. Это давление передается через водомерное стекло к уровню жидкости внутри него.

4. Устройство водомерного стекла

Водомерное стекло (показанное на рисунке под номером 3) соединено с паровым котлом через два крана (номер 2 на рисунке). Эти краны обеспечивают связь водомерного стекла как с жидкой водой в нижней части котла, так и с паром в верхней части. В результате уровень воды в водомерном стекле соответствует уровню воды внутри котла.

Если краны открыты, то:
− верхний кран соединяет водомерное стекло с паровым пространством котла,
− нижний кран соединяет водомерное стекло с водяным пространством котла.

Таким образом, давление пара над уровнем воды внутри котла равно давлению пара над уровнем воды в водомерном стекле, а давление воды на уровне нижнего крана также одинаково. Это позволяет водомерному стеклу корректно показывать уровень жидкости.

5. Практическое использование

Водомерное стекло позволяет оператору котла визуально наблюдать за уровнем воды. Если уровень воды становится слишком низким, это может привести к перегреву котла и его повреждению. Если уровень воды слишком высокий, это может снизить эффективность работы котла. Поэтому водомерное стекло играет важную роль в обеспечении безопасности и эффективности работы парового котла.

Заключение

Действие водомерного стекла парового котла основано на законах гидростатики и сообщающихся сосудов. Оно отображает уровень воды внутри котла благодаря равновесию давлений между жидкостью и паром, создавая возможность для точного контроля работы котла.