Ciśnienie atmosferyczne i ciężar powietrza. Wzór, obliczenia, eksperymenty

Z samej koncepcji "ciśnienie atmosferyczne" wynika z tego, że powietrze musi mieć masę, inaczej nie byłoby w stanie wywierać na nic ciśnienia. Ale my tego nie zauważamy, wydaje nam się, że powietrze jest nieważkie. Przed niż mówić o ciśnieniu atmosferycznym, trzeba udowodnić, że powietrze ma masę, trzeba je jakoś zważyć. Jak to zrobić? W tym artykule przyglądamy się bliżej ciężarowi powietrza i ciśnieniu atmosferycznemu, eksperymentując z nimi.

Eksperyment

Ważymy powietrze w szklanym naczyniu. Dostaje się do pojemnika przez gumową rurkę w szyjce. Kran zamyka wąż tak, że powietrze nie dostaje się do środka. Usunąć powietrze ze zbiornika za pomocą pompy próżniowej. Co ciekawe, dźwięk pompy zmienia się w miarę jej wypompowywania. Im mniej powietrza pozostaje w kolbie, tym ciszej pracuje pompa. Im dłużej ewakuujemy powietrze, tym niższe staje się ciśnienie w naczyniu.

Gdy całe powietrze zostało odprowadzone, zamykamy kran i ściskamy wąż, aby zamknąć powietrze. Zważyć kolbę bez powietrza, następnie otworzyć kran. Powietrze wpływa z charakterystycznym szumem, a jego ciężar dodaje się do ciężaru kolby.

Najpierw stawiamy na wadze puste naczynie z zamkniętym kranikiem. Wewnątrz naczynia panuje próżnia i możemy je zważyć. Otwieramy kran, powietrze wchodzi do środka i możemy ponownie zważyć zawartość kolby. Różnica masy pomiędzy napełnioną i pustą bańką to masa powietrza. To jest tak proste jak to.

Ciężar powietrza i ciśnienie atmosferyczne

Przejdźmy teraz do rozwiązania kolejnego problemu. Aby obliczyć gęstość powietrza, należy podzielić jego masę przez objętość. Objętość kolby jest znana, bo jest napisana na jej boku. ρ=m_powietrze /V. Trzeba powiedzieć, że uzyskanie tzw. wysokiej próżni, czyli całkowitego braku powietrza w naczyniu, trwa dość długo. Jeśli kolba ma objętość 1,2 l, to jest to około pół godziny.

Dowiedzieliśmy się, że powietrze ma masę. Ziemia ją przyciąga, więc działa na nią grawitacja. Powietrze naciska na podłoże z siłą równą ciężarowi powietrza. Istnieje zatem ciśnienie atmosferyczne. Objawia się to w różnych eksperymentach. Zrób jedno z tych.

Eksperymentuj ze strzykawkami

Weź pustą strzykawkę, do której przymocowana jest elastyczna rurka. Opuścić tłok strzykawki i zanurzyć wężyk w misce z wodą. Pociągnijmy tłok do góry, a woda zacznie poruszać się w górę rurki i wypełni strzykawkę. Dlaczego woda, która jest ciągnięta w dół przez grawitację, wciąż unosi się do góry za tłokiem?

W strzykawce panuje ciśnienie atmosferyczne wywierane z góry w dół. Oznacz go jako P_atm. Zgodnie z prawem Pascala, ciśnienie wytwarzane przez atmosferę na powierzchni cieczy przenosi się bez zmian. Rozciąga się na wszystkie punkty, oznacza to, że wewnątrz rurki panuje również ciśnienie atmosferyczne, a w strzykawce nad warstwą wody panuje próżnia (przestrzeń bez powietrza), tzn. е. Р=0. Mamy więc ciśnienie atmosferyczne na wodę od dołu i brak ciśnienia nad tłokiem, bo tam nic nie ma. Z powodu różnicy ciśnień woda wpływa do strzykawki.

Eksperyment z rtęcią

Ciężar powietrza i ciśnienie atmosferyczne - ile wynoszą? Czy to może być coś, niż my możemy zaniedbanie? Wszakże jeden metr sześcienny żelaza ma masę 7 600 kg, zaś jeden metr sześcienny powietrza ma masę zaledwie 1,3 kg. Aby to zrozumieć, zmodyfikujmy eksperyment, który właśnie przeprowadziliśmy. Zamiast strzykawki bierzemy butelkę z korkiem i rurką. Podłączmy rurkę do pompki i zacznijmy wypompowywać powietrze.

Inaczej niż w poprzednim eksperymencie nie tworzymy próżni pod tłokiem, ale w całej objętości butelki. Wyłączyć pompę i jednocześnie opuścić rurkę butelki do zbiornika z wodą. Widzimy jak w ciągu kilku sekund woda wypełnia butelkę przez rurkę, wydając przy tym charakterystyczny dźwięk. Duża prędkość, z jaką "wybuchła" w butelce, sugeruje, że ciśnienie atmosferyczne. Doświadczenie to potwierdza.

Włoski naukowiec Torricelli po raz pierwszy zmierzył ciśnienie atmosferyczne, czyli ciężar powietrza. Zrobił taki eksperyment. Wziął szklaną rurkę o długości nieco ponad 1 m, uszczelnioną na jednym końcu. Wypełniony po brzegi rtęcią. Następnie wziął pojemnik z rtęcią, zacisnął palcem jego otwarty koniec, odwrócił rurkę do góry nogami i zanurzył ją w pojemniku. Gdyby nie było ciśnienia atmosferycznego, cała rtęć rozlałaby się, ale tak się nie stało. Wylało częściowo, poziom rtęci ustalono na 760 milimetrów.

Stało się tak, ponieważ atmosfera naciskała na rtęć w butelce. To właśnie z tego powodu w naszych poprzednich doświadczeniach do rurki wtłaczano wodę, po której strzykawka. 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 na całą drogę do góry, tylko 760 mm.

Zgodnie z prawem Pascala, ciśnienie wywierane na rtęć jest przenoszone na wszystkie jej punkty w ten sam sposób. Tak więc wewnątrz rurki jest również ciśnienie atmosferyczne. Ale z drugiej strony ciśnienie to jest równoważone przez ciśnienie słupa cieczy. Oznaczmy przez wysokość słupa rtęci h. Możemy powiedzieć, że od dołu do góry na rtęć działa ciśnienie atmosferyczne, a od góry do dołu ciśnienie hydrostatyczne. W pozostałych nie zajętych 240 mm występuje podciśnienie o wartości. Przy okazji, ta próżnia jest również nazywana próżnią Torricellego.

Wzór i obliczenie

Ciśnienie atmosferyczne P_atm jest równe ciśnieniu hydrostatycznemu i jest obliczane według wzoru ρ_Hg*g*h . ρ_Hg=13600 kg/m³. g=9,8 N/kg. h = 0,76 m. P_atm=101,3 KPa. Jest to dość duża wartość. Kartka papieru leżąca na stole wytwarza ciśnienie 1 Pa, a ciśnienie atmosferyczne 100 000. paskale. Okazuje się, że, że musisz umieścić jeden na drugim 100,000. kartki papieru, aby mogły wytworzyć taki nacisk. Ciekawe, prawda?? Ciśnienie atmosferyczne i ciężar powietrza są bardzo duże, dlatego podczas eksperymentu woda była z taką siłą wpychana do wnętrza butelki.