CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE: WARTOŚĆ NORMALNA, SPOSÓB POMIARU, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Ciśnienie atmosferyczne jest spowodowane ciężarem gazów wchodzących w skład atmosfery nad ziemią. Szacuje się, że masa atmosfery wynosi około 5 x 10 ¹⁸ kg i wszystkie żywe istoty są poddane ciśnieniu, jakie wywiera ta masa.

Jako pierwszy go zmierzył włoski naukowiec Evangelista Torricelli (1608-1647). Przeprowadził prosty, ale bardzo pomysłowy eksperyment w 1644 roku: całkowicie napełnił szklaną rurkę zamkniętą z jednej strony rtęcią, odwrócił ją i wlał do pojemnika, który również zawierał rtęć.

Rysunek 1. Barometr aneroidowy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, w przeciwieństwie do barometru rtęciowego, nie zawiera cieczy. Źródło: Wikimedia Commons.

Torricelli zauważył, że rura nie opróżniła się całkowicie, ale została wypełniona rtęcią do wysokości 76 cm. Zaskoczony, wykonał wiele testów z rurkami o różnym kształcie, uzyskując zawsze ten sam wynik.

W ten sposób Torricelli zdał sobie sprawę, że ciśnienie atmosferyczne wzrosło i utrzymywało słupek rtęci wewnątrz rury na wysokości 760 mm. W ten sposób ustala się średnią wartość ciśnienia atmosferycznego.

Ponieważ ciśnienie definiuje się jako siłę na jednostkę powierzchni, jednostkami ciśnienia atmosferycznego w systemie międzynarodowym są niutony / metr lub paskale, co jest skrótem Pa. Zatem w tym systemie ciśnienie atmosferyczne P _atm ma wartość :

Jest to normalna wartość ciśnienia atmosferycznego w temperaturze 0 ° C i na poziomie morza.

Ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza i inne zmiany

Teoretycznie maksymalna wartość ciśnienia atmosferycznego znajduje się właśnie na poziomie morza. Chociaż na tym poziomie istnieje tak duża zmienność, eksperci muszą ustalić jakiś system odniesienia, który pomoże im określić jego wartość.

Oto główne czynniki wpływające na wartość ciśnienia atmosferycznego w określonym miejscu na Ziemi:

-Wysokość : na każde 10 metrów wysokości ciśnienie spada o 1 mm Hg. Ale zdarza się również, że gęstość gazu tworzącego atmosferę nie jest stała. W zasadzie wraz ze wzrostem wysokości gęstość powietrza maleje.

Rysunek 2. Wysokościomierz, przyrząd mierzący wysokość nad poziomem morza na podstawie zmian ciśnienia. Źródło: Pixabay.

- Temperatura : oczywiście im wyższa temperatura, tym gęstość maleje, a powietrze waży mniej, dlatego wartość ciśnienia maleje.

- Szerokość geograficzna : ciśnienie atmosferyczne jest niższe na równikowych szerokościach geograficznych, ponieważ Ziemia nie jest idealną kulą. Wybrzeże na równiku jest dalej od środka Ziemi niż bieguny i tam też gęstość powietrza jest niższa.

- Ciągłość : im bardziej porusza się w głąb kontynentów, tym wyższe ciśnienie atmosferyczne, podczas gdy w miejscach nadmorskich ciśnienie jest niższe.

Zmiana ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością

Równanie altimetryczne, które wiąże ciśnienie atmosferyczne P w miejscu z jego wysokością z nad poziomem morza, ma następującą postać:

Tutaj P _o jest ciśnieniem na wysokości początkowej lub odniesienia, które zwykle przyjmuje się na poziomie morza, ρ _lub gęstością powietrza na poziomie morza, a g wartością przyspieszenia ziemskiego. W dalszej części rozwiązanej sekcji ćwiczeń jest odliczanie krok po kroku.

Jak mierzone jest ciśnienie atmosferyczne?

Ciśnienie atmosferyczne mierzone jest za pomocą barometru. Najprostszy jest taki, jak ten zbudowany przez Torricelli na bazie rtęci. Nachylenie rurki lub średnica nie zmienia wysokości słupka rtęci, chyba że za to odpowiadają czynniki klimatyczne.

Na przykład chmury tworzą się w regionach o niskim ciśnieniu. Kiedy więc odczyt barometru spada, oznacza to, że nadchodzi zła pogoda.

Właściwie zamiast rtęci można by również zastosować inne ciecze, na przykład można wykonać barometr wodny. Problem w tym, że rozmiar kolumny to 10,33 m, bardzo niepraktyczny do transportu.

Istnieją również instrumenty mierzące ciśnienie mechanicznie - poprzez odkształcenia w rurkach lub spiralach -: aneroidowe barometry i manometry. Mogą mierzyć różnicę ciśnień między dwoma punktami lub również mierzyć ciśnienie, przyjmując ciśnienie atmosferyczne jako odniesienie.

Jednostki ciśnienia

Normalna wartość ciśnienia służy do określenia nowej jednostki ciśnienia: atmosfery, w skrócie atm. Ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 atm; w ten sposób inne ciśnienia można wyrazić w postaci ciśnienia atmosferycznego, które jest bardzo dobrze znane wszystkim:

W poniższej tabeli przedstawiono jednostki najczęściej używane w nauce i inżynierii do pomiaru ciśnienia oraz odpowiadające im paskale:

Jednostka	Równoważność w pascalach
N / m 2	jeden
bankomat	101,355
mm Hg	133,3
funty / cal 2	6894,76
Pub	1x 10 5

Ciśnienie hydrostatyczne, bezwzględne i manometryczne

Na swobodnej powierzchni cieczy w równowadze statycznej i otwartej do atmosfery działa ciśnienie atmosferyczne. Ale w wewnętrznych punktach cieczy działa oczywiście ciężar kolumny płynu.

Waga kolumny zależy od jej wysokości i gęstości cieczy, którą przyjmiemy jako stałą, podobnie jak temperatura. W tym przypadku ciśnienie P wynosi:

Jest to ciśnienie hydrostatyczne w dowolnym miejscu wewnątrz płynu o stałej gęstości i jest bezpośrednio proporcjonalne do głębokości z płynu.

Jeśli chodzi o ciśnienie bezwzględne P _abs w płynie w stanie spoczynku, definiuje się je jako sumę ciśnienia atmosferycznego P _atm i ciśnienia hydrostatycznego P:

Wreszcie, ciśnienie manometryczne P _man w płynie w stanie spoczynku jest różnicą między ciśnieniem bezwzględnym i atmosferycznym iw tym przypadku jest równoważne pomiarowi ciśnienia hydrostatycznego:

Przykłady

Siła, jaką atmosfera wywiera na organizm

Można oszacować wielkość całkowitej siły wywieranej przez atmosferę na ludzkie ciało. Załóżmy, że korpus ma powierzchnię około 2 m ² , ponieważ ciśnienie jest określona jako siła na jednostkę powierzchni, można rozwiązać przez siły i obliczenia:

Do tego obliczenia wykorzystamy normalną wartość ciśnienia atmosferycznego ustaloną na początku:

Wynik ten odpowiada mniej więcej 20 tonom siły, ale nie stanowi problemu dla istot żywych zamieszkujących powierzchnię Ziemi, które są do tego przystosowane, podobnie jak ryby w morzu.

Chociaż jest to dość duża siła. Dlaczego nie upadamy przed nim?

Cóż, ciśnienie wewnątrz ciała jest równe ciśnieniu na zewnątrz. Nie upadamy, ponieważ siła wewnętrzna jest równoważona przez inną siłę zewnętrzną. Ale niektórzy ludzie są dotknięci wysokością i mogą krwawić z nosa podczas wspinaczki po bardzo wysokich górach. Dzieje się tak, ponieważ równowaga między ciśnieniem krwi a ciśnieniem atmosferycznym została zaburzona.

Popijaj napoje przez słomkę lub słomkę

Ciśnienie atmosferyczne umożliwia picie sody przez słomkę lub słomkę. Sumerowie i inne starożytne kultury odkryły, że mogą pić piwo, używając pustych łodyg roślin lub trzciny jako słomek.

Znacznie później, pod koniec XIX i na początku XX wieku, w Stanach Zjednoczonych opatentowano różne modele słomek, w tym powszechnie stosowane obecnie łokcie w kształcie harmonijki.

Rysunek 3. Ciśnienie atmosferyczne pozwala popijać słomką. Źródło: Pixabay.

Oto jak działają: Ponieważ płyn jest wchłaniany przez słomkę, ciśnienie nad cieczą w słomce jest zmniejszane, co powoduje, że ciśnienie poniżej, które jest wyższe, wypycha płyn do góry, aby ułatwić picie.

Z tego powodu po ekstrakcji lub zabiegu stomatologicznym nie zaleca się popijania w ten sposób płynów, gdyż spadek ciśnienia może spowodować otwarcie rany i rozpoczęcie krwawienia.

Ćwiczenia

- Ćwiczenie 1

Wyprowadź równanie wysokościomierza P (z):

-Po to ciśnienie na poziomie odniesienia (poziom morza)

-z to wysokość

-ρ _o to gęstość płynu na poziomie morza

-g jest wartością przyspieszenia ziemskiego

Rozwiązanie

Najpierw niech dp będzie ciśnieniem różnicowym, które zgodnie z podstawowym równaniem hydrostatyki wyraża się jako:

Znak minus uwzględnia fakt, że ciśnienie spada wraz ze wzrostem z. Przyjmuje się również, że powietrze jest gazem idealnym, więc ciśnienie i gęstość są powiązane przez:

Gęstość jest natychmiast podstawiana w celu uzyskania:

Otóż, zapisując ciśnienie w ten sposób zakłada się, że atmosfera jest podzielona na warstwy o wysokości dz, coś w rodzaju stosu naleśników, z których każda ma ciśnienie dp. W ten sposób otrzymujemy równanie różniczkowe, które jest rozwiązywane przez oddzielenie zmiennych p i z:

Następnie jest integrowany po obu stronach, co jest równoznaczne z dodaniem wkładu ciśnienia wytworzonego przez każdą warstwę. W całce po lewej stronie składa się z ciśnienia P _lub ciśnienia początkowego do końcowego P. W ten sam sposób całka po prawej wylicza od z _o do z:

Oto rozwiązanie dla P przy użyciu wykładniczej:

Wreszcie, jeśli zarówno T ig są stałe, ρ _o = (M / RT) P _o , to M / RT = ρ _o / P _o, a z _o = 0. Składając to wszystko razem:

- Ćwiczenie 2

Jaka jest wartość ciśnienia atmosferycznego w La Paz w Boliwii, położonym na wysokości 3640 m n.p.m.? Weźmy średnią gęstość powietrza jako 1225 kg / m ³ na poziomie morza.

Rozwiązanie

Wystarczy podstawić wartości liczbowe podane w równaniu wysokościomierza:

Podsumowując, jest to około 66% normalnego ciśnienia.

Bibliografia

1. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 5. Płyny i termodynamika. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
3. Atmosfera standardowa. Odzyskany z: av8n.com
4. Uniwersytet w Sewilli. Zmiany ciśnienia atmosferycznego. Odzyskany z: laplace.us.es.
5. Wikipedia. Równanie hipsometryczne. Odzyskane z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Ciśnienie atmosferyczne. Odzyskane z: es.wikipedia.org.