- Eksperyment
- Pomiar ciśnienia atmosferycznego
- Barometr Torricellego
- Znaczenie ciśnienia atmosferycznego dla klimatu
- On
- Wysokościomierze
- Bibliografia
Eksperyment Torricielli przeprowadzono matematyka fizyczne i włoski Evangelista Torricellego 1644 i zakończyła się pierwszego pomiaru ciśnienia atmosferycznego.
Ten eksperyment zrodził się z potrzeby poprawy zaopatrzenia w wodę w miastach. Evangelista Torricelli (1608-1647), który był nadwornym matematykiem wielkiego księcia Toskanii Ferdynanda II, badał zjawiska hydrauliczne z Galileuszem.
Rysunek 1. Doświadczenie Torricellego, w którym słupek rtęci podnosi się o 760 mm pod wpływem ciśnienia atmosferycznego. Źródło: F. Zapata.
Eksperyment
W 1644 roku Torricelli przeprowadził następujący eksperyment:
- Wprowadził rtęć do rury o długości 1 m, otwartej na jednym końcu i zamkniętej na drugim.
- Kiedy rurka była całkowicie pełna, odwrócił ją i wrzucił do pojemnika, który również zawierał rtęć.
- Torricelli zauważył, że kolumna opadła i zatrzymała się na wysokości około 76 cm.
- Zauważył też, że w wolnej, choć nie idealnej przestrzeni, wytworzono próżnię.
Torricelli powtórzył eksperyment używając różnych probówek. Zrobił nawet małą zmianę: dodał wodę do wiadra, które będąc lżejsze, unosiło się na rtęci. Następnie powoli uniósł rurkę zawierającą rtęć na powierzchnię wody.
Potem rtęć opadła, a woda podniosła się. Uzyskana próżnia, jak już powiedzieliśmy, nie była doskonała, ponieważ zawsze znajdowały się w niej pozostałości oparów rtęci lub wody.
Pomiar ciśnienia atmosferycznego
Atmosfera jest mieszaniną gazów, w której dominują azot i tlen, ze śladami innych gazów, takich jak argon, dwutlenek węgla, wodór, metan, tlenek węgla, para wodna i ozon.
Przyciąganie grawitacyjne wywierane przez Ziemię jest odpowiedzialne za utrzymanie całości otaczającej planetę.
Oczywiście skład nie jest jednolity, podobnie jak gęstość, ponieważ zależy ona od temperatury. W pobliżu powierzchni znajduje się duża ilość kurzu, piasku i zanieczyszczeń pochodzących ze zdarzeń naturalnych, a także z działalności człowieka. Cięższe cząsteczki są bliżej ziemi.
Ponieważ istnieje tak duża zmienność, konieczne jest wybranie wysokości odniesienia dla ciśnienia atmosferycznego, które dla wygody przyjęto jako poziom morza.
Tutaj nie jest to byle jaki poziom morza, bo to również przedstawia wahania. Poziom lub odniesienie wybiera się za pomocą pewnego geodezyjnego systemu odniesienia ustalonego za wspólnym porozumieniem ekspertów.
Jakie jest ciśnienie atmosferyczne w pobliżu ziemi? Torricelli znalazł wartość, mierząc wysokość kolumny: 760 mm słupa rtęci.
Barometr Torricellego
W górnej części rury ciśnienie wynosi 0, ponieważ wytworzyła się tam próżnia. Tymczasem na powierzchni kadzi rtęciowej ciśnienie P 1 jest ciśnieniem atmosferycznym.
Wybierzmy początek układu odniesienia na wolnej powierzchni rtęci, w górnej części rury. Stamtąd do powierzchni rtęci w pojemniku zmierz H, wysokość kolumny.
Rysunek 2. Barometr Torricellego. Źródło: Fizyka ogólna dla inżynierów. J. Lay. USACH.
Ciśnienie w miejscu zaznaczonym na czerwono na głębokości y 1 wynosi:
Gdzie ρ Hg to gęstość rtęci. Ponieważ y 1 = H i Po = 0:
Ponieważ gęstość rtęci jest stała, a grawitacja stała, okazuje się, że wysokość słupa rtęci jest proporcjonalna do P 1 , czyli ciśnienia atmosferycznego. Zastępowanie znanych wartości:
Jednostką ciśnienia w systemie międzynarodowym jest paskal, w skrócie Pa. Zgodnie z doświadczeniem Torricellego ciśnienie atmosferyczne wynosi 101,3 kPa.
Znaczenie ciśnienia atmosferycznego dla klimatu
Torricelli zauważył, że poziom rtęci w rurze zmieniał się każdego dnia, więc wywnioskował, że ciśnienie atmosferyczne również musi się zmieniać.
Ciśnienie atmosferyczne jest odpowiedzialne za większość klimatu, jednak jego dzienne zmiany pozostają niezauważone. Dzieje się tak dlatego, że nie są tak zauważalne, jak na przykład burze lub zimno.
Jednak te zmiany ciśnienia atmosferycznego są odpowiedzialne za wiatry, które z kolei wpływają na opady deszczu, temperaturę i wilgotność względną. Kiedy ziemia się nagrzewa, powietrze rozszerza się i ma tendencję do podnoszenia się, powodując spadek ciśnienia.
Zawsze, gdy barometr wskazuje wysokie ciśnienie, można spodziewać się dobrej pogody, podczas gdy przy niskim ciśnieniu istnieje możliwość burz. Aby jednak prognozować pogodę, potrzebujesz więcej informacji o innych czynnikach.
On
Chociaż brzmi to dziwnie, ponieważ ciśnienie definiuje się jako siłę na jednostkę powierzchni, w meteorologii można wyrażać ciśnienie atmosferyczne w milimetrach słupa rtęci, zgodnie z ustaleniami Torricellego.
Dzieje się tak, ponieważ barometr rtęci jest nadal używany z niewielkimi zmianami od tamtego czasu, tak że na cześć Torricellego 760 mm Hg równa się 1 torr. Innymi słowy:
Gdyby Torricelli użył wody zamiast rtęci, wysokość kolumny wyniosłaby 10,3 m. Barometr rtęciowy jest bardziej praktyczny, ponieważ jest bardziej kompaktowy.
Innymi powszechnie stosowanymi jednostkami są słupki i milibary. Jeden milibar odpowiada jednemu hektopaskalowi lub 10 2 paskalom.
Wysokościomierze
Wysokościomierz to przyrząd wskazujący wysokość miejsca, porównujący ciśnienie atmosferyczne na tej wysokości z ciśnieniem na ziemi lub w innym miejscu odniesienia.
Jeśli wysokość nie jest zbyt duża, w zasadzie możemy założyć, że gęstość powietrza pozostaje stała. Ale to jest przybliżenie, ponieważ wiemy, że gęstość atmosfery maleje wraz z wysokością.
Korzystając z powyższego równania, zamiast rtęci stosuje się gęstość powietrza:
W tym wyrażeniu P o przyjmuje się jako ciśnienie atmosferyczne na poziomie gruntu, a P1 oznacza ciśnienie w miejscu, którego wysokość ma zostać określona:
Z równania wysokościowego wynika, że ciśnienie maleje wykładniczo wraz z wysokością: dla H = 0, P 1 = P lub i jeśli H → ∞, to P 1 = 0.
Bibliografia
- Figueroa, D. 2005. Seria: Physics for Sciences and Engineering. Tom 5. Płyny i termodynamika. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
- Lay, J. 2004. Fizyka ogólna dla inżynierów. USACH.
- Mott, R. 2006. Mechanika płynów. 4. Wydanie. Edukacja Pearson.
- Strangeways, I. 2003. Pomiar środowiska naturalnego. 2nd. Wydanie. Cambridge University Press.