Z samego pojęcia "ciśnienia atmosferycznego" wynika, że powietrze musi mieć wagę, inaczej nie mogłoby wywierać na nic nacisku. Ale tego nie zauważamy, wydaje nam się, że powietrze jest nieważkie. Zanim zaczniesz mówić o ciśnieniu atmosferycznym, musisz udowodnić, że powietrze ma wagę, musisz je jakoś zważyć. Jak to zrobić? W artykule szczegółowo rozważymy masę powietrza i ciśnienie atmosferyczne, badając je za pomocą eksperymentów.
Doświadczenie
Zważymy powietrze w szklanym naczyniu. Wchodzi do pojemnika przez gumową rurkę w szyi. Zawór zamyka wąż, aby nie dostało się do niego powietrze. Powietrze z naczynia usuwamy za pomocą pompy próżniowej. Co ciekawe, wraz z postępem pompowania zmienia się dźwięk pompy. Im mniej powietrza pozostaje w kolbie, tym ciszej pracuje pompa. Im dłużej wypompujemy powietrze, tym niższe ciśnienie w naczyniu.
Gdy całe powietrze zostanie usunięte,zamknij kran, ściśnij wąż, aby zablokować dopływ powietrza. Zważyć kolbę bez powietrza, a następnie odkręcić kran. Powietrze wejdzie z charakterystycznym gwizdkiem, a jego waga zostanie dodana do wagi kolby.
Najpierw umieść puste naczynie przy zamkniętym kurku na wadze. Wewnątrz pojemnika jest próżnia, zważmy to. Otwórzmy kran, powietrze wejdzie do środka i ponownie zważ zawartość kolby. Różnica między masą napełnionej i pustej kolby będzie masą powietrza. To proste.
Waga powietrza i ciśnienie atmosferyczne
Teraz przejdźmy do rozwiązania następnego problemu. Aby obliczyć gęstość powietrza, musisz podzielić jego masę przez objętość. Objętość kolby jest znana, ponieważ jest zaznaczona na boku kolby. ρ=mpowietrze /V. Muszę powiedzieć, że aby uzyskać tak zwaną wysoką próżnię, czyli całkowity brak powietrza w naczyniu, potrzeba dużo czasu. Jeśli kolba ma 1,2 l, to około pół godziny.
Odkryliśmy, że powietrze ma masę. Ziemia ją ciągnie i dlatego działa na nią siła grawitacji. Powietrze naciska na ziemię z siłą równą ciężarowi powietrza. Dlatego istnieje ciśnienie atmosferyczne. Przejawia się w różnych eksperymentach. Zróbmy jedno z nich.
Eksperyment strzykawkowy
Weź pustą strzykawkę, do której przymocowana jest elastyczna rurka. Opuść tłok strzykawki i zanurz wąż w pojemniku z wodą. Pociągnij tłok do góry, a woda zacznie unosić się przez rurkę, wypełniając strzykawkę. Dlaczego woda, która jest ściągana grawitacyjnie, wciąż unosi się za tłokiem?
W naczyniu ma to wpływ od góry do dołuCiśnienie atmosferyczne. Oznaczmy to Patm. Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie wywierane przez atmosferę na powierzchnię cieczy jest przekazywane bez zmian. Rozprzestrzenia się na wszystkie punkty, co oznacza, że wewnątrz rurki panuje również ciśnienie atmosferyczne, a w strzykawce nad warstwą wody znajduje się próżnia (przestrzeń pozbawiona powietrza), tj. P \u003d 0. Okazuje się więc, że ciśnienie atmosferyczne naciska na wodę od dołu, ale nad tłokiem nie ma ciśnienia, bo tam jest pustka. Ze względu na różnicę ciśnień woda dostaje się do strzykawki.
Eksperymentuj z rtęcią
Waga powietrza i ciśnienie atmosferyczne - jak duże są? Może to coś, co można zaniedbać? Przecież jeden metr sześcienny żelaza ma masę 7600 kg, a jeden metr sześcienny powietrza tylko 1,3 kg. Aby to zrozumieć, zmodyfikujmy eksperyment, który właśnie przeprowadziliśmy. Zamiast strzykawki weź butelkę zamkniętą korkiem z rurką. Podłącz rurkę do pompy i zacznij pompować powietrze.
W przeciwieństwie do poprzednich doświadczeń, wytwarzamy próżnię nie pod tłokiem, ale w całej objętości butelki. Wyłącz pompkę i jednocześnie opuść rurkę butelki do pojemnika z wodą. Zobaczymy, jak woda napełniła butelkę przez rurkę w zaledwie kilka sekund z charakterystycznym dźwiękiem. Duża prędkość, z jaką „wbija się” w butelkę, wskazuje, że ciśnienie atmosferyczne jest dość dużą wartością. Doświadczenie to potwierdza.
Po raz pierwszy zmierzył ciśnienie atmosferyczne, wagę powietrza włoskiego naukowca Torricelli. Miał takie doświadczenie. Wziąłem szklaną rurkę o długości nieco ponad 1 m, zamkniętą na jednym końcu. Napełnił go rtęcią po brzegi. PoNastępnie wziął naczynie z rtęcią, zacisnął palcem jego otwarty koniec, odwrócił rurkę i zanurzył ją w pojemniku. Gdyby nie było ciśnienia atmosferycznego, cała rtęć wylałaby się, ale tak się nie stało. Wylał się częściowo, poziom rtęci osiadł na wysokości 760 mm.
Stało się tak, ponieważ atmosfera wywierała nacisk na rtęć w pojemniku. Z tego powodu w naszych poprzednich eksperymentach woda była wpuszczana do rurki, dlatego woda podążała za strzykawką. Ale w tych dwóch eksperymentach wzięliśmy wodę, której gęstość jest niska. Rtęć ma dużą gęstość, więc ciśnienie atmosferyczne było w stanie podnieść rtęć, ale nie do samej góry, ale tylko o 760 mm.
Zgodnie z prawem Pascala ciśnienie wywierane na rtęć jest przenoszone na wszystkie jej punkty bez zmian. Oznacza to, że wewnątrz rurki panuje również ciśnienie atmosferyczne. Ale z drugiej strony to ciśnienie jest równoważone ciśnieniem słupa cieczy. Oznaczmy wysokość słupa rtęci jako h. Można powiedzieć, że ciśnienie atmosferyczne działa od dołu do góry, a ciśnienie hydrostatyczne od góry do dołu. Pozostałe 240 mm jest puste. Nawiasem mówiąc, ta próżnia jest również nazywana pustką Torricellego.
Wzór i obliczenia
Ciśnienie atmosferyczne Patm jest równe ciśnieniu hydrostatycznemu i jest obliczane według wzoru ρptgh. ρrt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 m. Patm=101,3 kPa. To dość duża kwota. Arkusz papieru leżący na stole wytwarza ciśnienie 1 Pa, a ciśnienie atmosferyczne wynosi 100 000 paskali. Okazuje się, że trzeba włożyć100 000 arkuszy papieru jeden na drugim, aby wytworzyć taki nacisk. Ciekawe, prawda? Ciśnienie atmosferyczne i masa powietrza są bardzo wysokie, dlatego podczas eksperymentu woda była wpychana do butelki z taką siłą.
