Чому насоси не можуть всмоктувати рідину з глибини більше 9 метрів?

Для початку трохи історії:
В 1640 р. в Італії герцог Тосканський вирішив влаштувати фонтан на терасі свого палацу. Для подачі води з озера був побудований трубопровід і насос великої довжини, яких до цього ще не будували. Але виявилося, що система не працює — вода в ній піднімалася тільки до 10,3 м над рівнем водойми.

Ніхто не міг пояснити, в чому тут справа, поки учень Галілея — Е. Торічеллі не висловив думку, що вода в системі піднімається під дією тяжіння атмосфери, яка тисне на поверхню озера. Стовп води висотою в 10,3 м в точності врівноважує це тиск, і тому вище вода не піднімається. Торічеллі взяв скляну трубку з одним запаяним кінцем і іншим відкритим і заповнив її ртуттю. Потім він затиснув отвір пальцем і, перевернувши трубку, опустив її відкритим кінцем у посудину, наповнену ртуттю. Ртуть не вилилася з трубки, а тільки трохи опустилася.
Стовп ртуті в трубці встановився на висоті 760 мм над поверхнею ртуті в посудині. Вага стовпа ртуті перерізом 1 см2 дорівнює 1,033 кг, тобто в точності дорівнює вазі стовпа води такого ж перерізу висотою 10,3 м. Саме з такою силою атмосфера тисне на кожен квадратний сантиметр будь-якій поверхні, в тому числі і на поверхню нашого тіла.

Точно також, якщо в досвіді з ртуттю замість неї в трубку налити води, то стовп води висотою 10,3 метра. Саме тому і не роблять водяних барометрів, т. к. вони були б занадто громіздкими.

Тиск стовпа рідини (Р) дорівнює добутку прискорення вільного падіння (g), щільності рідини (ρ) і висоти стовпа рідини:

Атмосферний тиск на рівні моря (Р) прийнято вважати рівним 1 кг/см2 (100 кПа).
Примітка: насправді тиск дорівнює 1,033 кг/см2.

Щільність води при температурі 20°С дорівнює 1000 кг/м3.
Прискорення вільного падіння 9,8 м/с2.

З цієї формули видно, що чим менше атмосферний тиск (P), тим на меншу висоту може піднятися рідина (тобто чим вище над рівнем моря, наприклад в горах, тим з меншою глибини може всмоктувати насос).
Також з цієї формули видно, що чим менше щільність рідини, тим з більшої глибини її можна викачувати, і навпаки, при більшій щільності глибина всмоктування зменшиться.

Наприклад, ту ж ртуть, при ідеальних умовах, можна підняти з висоти не більше 760 мм.
Передбачаю запитання: чому в розрахунках вийшов стовпа рідини висотою 10,3 м, а всмоктують насоси тільки з 9 метрів?
Відповідь досить простий:
- по-перше, розрахунок виконаний при ідеальних умовах,
- по-друге, будь-яка теорія не дає абсолютно точних значень, т. к. емпіричні формули.
- і в-третє, завжди існують втрати: у всмоктувальній лінії, в насосі, у з'єднаннях.
Тобто не можливо в звичайних водяних насосах створити розрядження, достатню для того, щоб вода піднялася вище.

Отже, які висновки з усього цього можна зробити:
1. Насос не всмоктує рідину, а лише створює розрядження на своєму вході (тобто зменшує атмосферний тиск у всмоктувальній магістралі). Вода видавлюється в насос атмосферним тиском.
2. Чим більше щільність рідини (наприклад, при великому вмісті в ній піску), тим менше висота всмоктування.
3. Розрахувати висоту всмоктування (h) можна, знаючи, яке розрядження створює насос і щільність рідини за формулою:
h = P / ( ρ* g) - x,

де P – атмосферний тиск, - густина рідини. g – прискорення вільного падіння, x – величина втрат (м).

Примітка: формула може використовуватися для розрахунку висоти всмоктування при нормальних умовах і температурі до +30°С.
Також хочеться додати, що висота всмоктування (у загальному випадку) залежить від в'язкості рідини, довжини і діаметра трубопроводу і температури рідини.

Наприклад, при збільшенні температури рідини до +60°С, висота всмоктування зменшується майже в два рази.
Це відбувається тому, що зростає тиск насичених парів рідини.
У будь-якій рідині завжди присутні бульбашки повітря.
Думаю, всі бачили, як при закипанні спочатку з'являються маленькі бульбашки, які потім збільшуються, і відбувається кипіння. Тобто при кипінні, тиск в бульбашках повітря стає більше, ніж атмосферний.
Тиск насичених парів і є тиск в бульбашках.
Збільшення тиску насичених парів призводить до того, що рідина закипає при більш низькому тиску. А насос, якраз і створює в магістралі знижений атмосферний тиск.
Тобто при всмоктуванні рідини при високій температурі, існує можливість її закипання в трубопроводі. А ніякі насоси не можуть всмоктувати киплячу рідину.