TORRICELLI EKSPERIMENTS: ATMOSFĒRAS SPIEDIENA MĒRĪJUMI, NOZĪME - FIZISKĀ - 2025

Eksperiments Toričelli veica fizisko un itāļu matemātiķa Evandželista Toričelli 1644. un rezultātā ir pirmajā mērījuma atmosfēras spiediena.

Šis eksperiments radās sakarā ar nepieciešamību uzlabot ūdens piegādi pilsētās. Evangelista Torricelli (1608-1647), kurš bija Toskānas lielkņaza Ferdinanda II tiesas matemātiķis, kopā ar Galileo bija pētījis hidrauliskās parādības.

1. attēls. Torricelli eksperiments, kurā dzīvsudraba kolonna atmosfēras spiediena dēļ paaugstinās par 760 mm. Avots: F. Zapata.

Eksperiments

1644. gadā Torricelli veica šādu eksperimentu:

- Viņš ievadīja dzīvsudrabu mēģenē, kuras garums bija 1 m, vienā galā atvērta un otrā aizvērta.

- Kad caurule bija pilnīgi pilna, viņš to apgrieza un izmeta konteinerā, kurā bija arī dzīvsudrabs.

- Torricelli novēroja, ka kolonna nolaidās un apstājās apmēram 76 cm augstumā.

- Viņš arī pamanīja, ka telpā, kas bija brīva, kaut arī tā nebija perfekta, bija izveidojies vakuums.

Torricelli atkārtoja eksperimentu, izmantojot dažādas mēģenes. Viņš pat veica nelielu variāciju: spainim pievienoja ūdeni, kurš, būdams vieglāks, peldēja uz dzīvsudraba. Tad viņš lēnām pacēla dzīvsudraba mēģeni līdz ūdens virsmai.

Tad dzīvsudrabs nokritās un ūdens cēlās. Iegūtais vakuums, kā mēs jau teicām, nebija ideāls, jo vienmēr bija dzīvsudraba tvaiku vai ūdens paliekas.

Atmosfēras spiediena mērīšana

Atmosfēra ir gāzu sajaukums, kurā pārsvarā ir slāpeklis un skābeklis, un tajā ir citas gāzes, piemēram, argons, oglekļa dioksīds, ūdeņradis, metāns, oglekļa monoksīds, ūdens tvaiki un ozons.

Zemes radītā gravitācijas pievilcība ir atbildīga par visas apkārtējās planētas saglabāšanu.

Protams, sastāvs nav vienveidīgs, tāpat kā blīvums, jo tas ir atkarīgs no temperatūras. Netālu no virsmas ir liels daudzums putekļu, smilšu un piesārņotāju, ko rada dabas notikumi un arī cilvēku darbības. Smagākās molekulas atrodas tuvāk zemei.

Tā kā mainība ir tik liela, ir jāizvēlas atmosfēras spiediena atskaites augstums, kas ērtības labad tiek uzskatīts par jūras līmeni.

Šeit tas nav tikai jebkurš jūras līmenis, jo tas rada arī svārstības. Līmenis vai atsauces punkts tiek izvēlēts ar kādas ģeodēziskās atsauces sistēmas palīdzību, ko nosaka ekspertu kopīga vienošanās.

Cik vērts ir atmosfēras spiediens zemes tuvumā? Torricelli atrada savu vērtību, kad viņš izmērīja kolonnas augstumu: 760 mm dzīvsudraba.

Torricelli barometrs

Caurules augšpusē spiediens ir 0, jo tajā ir izveidots vakuums. Tikmēr uz dzīvsudraba tvertnes virsmas spiediens P ₁ ir atmosfēras spiediens.

Izvēlēsimies atsauces rāmja izcelsmi uz dzīvsudraba brīvās virsmas, caurules augšpusē. No turienes līdz dzīvsudraba virsmai traukā izmēra H, kolonnas augstumu.

2. attēls. Torricelli barometrs. Avots: Inženieru vispārējā fizika. J. Lī. USACH.

Spiediens vietā, kas apzīmēta ar sarkanu, y ₁ dziļumā ir:

Kur ρ _Hg ir dzīvsudraba blīvums. Tā kā y ₁ = H un Po = 0:

Tā kā dzīvsudraba blīvums ir nemainīgs un gravitācija ir nemainīga, izrādās, ka dzīvsudraba kolonnas augstums ir proporcionāls P _{1 ,} kas ir atmosfēras spiediens. Zināmo vērtību aizstāšana:

Spiediena vienība Starptautiskajā sistēmā ir paskāla, saīsināta Pa. Saskaņā ar Torricelli eksperimentu, atmosfēras spiediens ir 101,3 kPa.

Atmosfēras spiediena nozīme klimatam

Torricelli novēroja, ka dzīvsudraba līmenis mēģenē katru dienu nedaudz mainījās, tāpēc viņš secināja, ka jāmaina arī atmosfēras spiediens.

Atmosfēras spiediens ir atbildīgs par lielāko daļu klimata, tomēr tā ikdienas variācijas netiek pamanītas. Tas ir tāpēc, ka tie nav tik pamanāmi kā, piemēram, vētras vai aukstums.

Tomēr šīs atmosfēras spiediena svārstības ietekmē vējus, kas savukārt ietekmē nokrišņu daudzumu, temperatūru un relatīvo mitrumu. Kad zeme sasilst, gaiss izplešas un mēdz pacelties, izraisot spiediena pazemināšanos.

Ikreiz, kad barometrs norāda uz augstu spiedienu, var būt gaidāmi labi laika apstākļi, savukārt ar nelielu spiedienu pastāv vētras. Tomēr, lai precīzi prognozētu laika apstākļus, jums ir nepieciešama vairāk informācijas par citiem faktoriem.

Viņš

Lai arī tas izklausās dīvaini, jo spiedienu definē kā spēku uz vienības laukumu, meteoroloģijā tas ir derīgs, lai izteiktu atmosfēras spiedienu dzīvsudraba milimetros, kā noteicis Torricelli.

Tas ir tāpēc, ka dzīvsudraba barometrs joprojām tiek izmantots mūsdienās ar nelielām izmaiņām kopš tā laika, tā ka par godu Torricelli 760 mm Hg ir vienāds ar 1 torru. Citiem vārdiem sakot:

Ja Torricelli būtu izmantojis ūdeni dzīvsudraba vietā, kolonnas augstums būtu 10,3 m. Dzīvsudraba barometrs ir praktiskāks, jo tas ir kompakts.

Citas vienības, ko plaši izmanto, ir stieņi un milibāri. Viens milibārs ir vienāds ar vienu hektopaskālu vai 10 ² paskāļiem.

Altimetri

Altimetrs ir instruments, kas norāda vietas augstumu, salīdzinot atmosfēras spiedienu šajā augstumā ar spiedienu uz zemes vai citu atskaites vietu.

Ja augstums nav ļoti liels, principā mēs varam pieņemt, ka gaisa blīvums paliek nemainīgs. Bet tas ir tuvinājums, jo mēs zinām, ka atmosfēras blīvums samazinās līdz ar augstumu.

Izmantojot iepriekš izmantoto vienādojumu, dzīvsudraba vietā izmanto gaisa blīvumu:

Šajā izteiksmē P _o tiek ņemts par atmosfēras spiedienu zemes līmenī, un P1 ir tās vietas spiediens, kuras augstums ir jānosaka:

Altimetriskais vienādojums parāda, ka spiediens samazinās eksponenciāli ar augstumu: ja H = 0, P ₁ = P _vai ja H = ∞, tad P ₁ = 0.

Atsauces

1. Figueroa, D. 2005. Sērija: Zinātņu un inženierzinātņu fizika. 5. tilpums. Šķidrumi un termodinamika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās.
3. Lay, J. 2004. Vispārīgā fizika inženieriem. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4. Izdevums. Pīrsona izglītība.
5. Strangeways, I. 2003. Dabiskās vides mērīšana. 2. Izdevums. Cambridge University Press.