Атмосферний тиск і вага повітря. Формула, розрахунки, експерименти

З самого поняття "атмосферний тиск" слід, що повітря повинен мати вагу, інакше він не міг би ні на що тиснути. Але ми цього не помічаємо, нам здається, що повітря невагоме. Перш чим говорити про атмосферному тиску, потрібно довести, що у повітря є вага, потрібно його якось зважити. Як це зробити? Вага повітря і атмосферний тиск ми детально розглянемо в статті, вивчаючи їх за допомогою експериментів.

Досвід

Ми будемо зважувати повітря, що знаходиться в скляній посудині. Він надходить в ємність через гумову трубку в шийці. Кран закриває шланг так, що в нього не надходить повітря. Видаляємо повітря з посудини за допомогою вакуумного насоса. Цікаво, що в міру відкачування звук насоса змінюється. Чим менший об`єм повітря залишається в колбі, тим тихіше працює насос. Чим довше ми відкачуємо повітря, тим нижчим стає тиск у посудині.

Коли все повітря видалений, закриваємо кран, перетискаємо шланг, щоб перекрити доступ повітря. Зважимо колбу без повітря, потім відкриємо кран. Повітря зайде всередину з характерним свистом, і його вага додасться до ваги колби.

Спочатку помістимо порожню посудину з закритим краном на ваги. Усередині ємності-вакуум, зважимо її. Відкриємо кран, повітря зайде всередину, і знову зважимо вміст колби. Різниця ваги наповненою і порожній колби і буде масою повітря. Все просто.

Вага повітря і атмосферний тиск

Тепер перейдемо до вирішення наступного завдання. Щоб обчислити щільність повітря, потрібно його масу розділити на обсяг. Обсяг колби відомий, тому що він вказаний на її стінці. ρ=m_возд /V. Треба сказати, що для отримання так званого високого вакууму, тобто повної відсутності повітря в посудині, потрібно досить багато часу. Якщо колба об`ємом 1,2 л, це приблизно півгодини.

Ми з`ясували, що повітря має масу. Земля його притягує, а тому на нього діє сила тяжіння. Повітря тисне на землю з силою, рівною вазі повітря. Атмосферний тиск, отже, існує. Воно проявляє себе в різних експериментах. Проведемо один з таких.

Експеримент зі шприцами

Візьмемо порожній шприц, до якого приєднана гнучка трубка. Опустимо поршень шприца і зануримо шланг в ємність з водою. Потягнемо поршень вгору, і вода почне підніматися по трубці, наповнюючи шприц. Чому ж вода, яку сила тяжіння тягне вниз, все-таки піднімається за поршнем вгору?

У посудині на неї зверху вниз діє атмосферний тиск. Позначимо його P_атм. За законом Паскаля тиск, який виробляє атмосфера на поверхню рідини, передається без змін. Воно поширюється в усі точки, значить всередині трубки теж атмосферний тиск, а в шприці над шаром води знаходиться вакуум (безповітряний простір), т. е. Р=0. Ось і виходить, що знизу на воду тисне атмосферний тиск, а над поршнем тиску немає, тому що там порожнеча. Через різницю тисків вода заходить в шприц.

Досвід з ртуттю

Вага повітря і атмосферний тиск-наскільки вони великі? Можливо, це щось, чим можна злегковажити? Адже один кубічний метр заліза має масу 7600 кг, а один кубічний метр повітря - всього 1,3 кг. Щоб розібратися, видозмінимо тільки що проведений експеримент. Замість шприца візьмемо пляшку, закриту пробкою з трубкою. Приєднаємо трубку до насоса і почнемо відкачувати повітря.

На відміну від попереднього досвіду, ми створюємо вакуум не під поршнем, а у всьому обсязі пляшки. Вимкнемо насос і одночасно опустимо трубку пляшки в ємність з водою. Ми побачимо, як вода буквально за кілька секунд з характерним звуком заповнила через трубку пляшку. Висока швидкість, з якою вона "вривалася" в пляшку, говорить про те, що атмосферний тиск-це досить велика величина. Досвід це доводить.

Вперше виміряв атмосферний тиск, вага повітря італійський вчений Торрічеллі. Він провів такий досвід. Взяв скляну трубку довжиною трохи більше 1 м, запаяну з одного кінця. Заповнив її ртуттю до країв. Після цього він взяв посудину з ртуттю, затиснув пальцем його відкритий кінець, перевернув трубку і занурив її в ємність. Якби атмосферного тиску не було, то ртуть би вся вилилася, але цього не сталося. Вона вилилася частково, рівень ртуті встановився на висоті 760 мм.

Так сталося, тому що атмосфера тиснула на ртуть в ємності. Саме з цієї причини у нас в попередніх дослідах вода заганялася в трубку, саме тому за шприцом йшла вода. Але в цих двох експериментах ми брали воду, щільність якої невелика. Ртуть має велику щільність, тому атмосферний тиск змогло підняти ртуть, але не до самого верху, а тільки на 760 мм.

Згідно із законом Паскаля, тиск, вироблене на ртуть, передається в усі її точки в незмінному вигляді. Значить, всередині трубки теж атмосферний тиск. Але з іншого боку, цей тиск врівноважується тиском стовпа рідини. Позначимо висоту ртутного стовпа h. Можна сказати, що знизу вгору на ртуть діє атмосферний тиск, а зверху вниз діє гідростатичний тиск. У залишилися незаповненими 240 мм знаходиться вакуум. До речі, цей вакуум ще називають торрічеллієва порожнеча.

Формула та розрахунки

Атмосферний тиск P_атм дорівнює гідростатичному і обчислюється за формулою ρ_рт*g*h . ρ_рт=13600 кг / м³. g=9,8 Н / кг. h=0,76 м. P_атм=101,3 КПа. Це досить велика величина. Аркуш паперу, що лежить на столі, виробляє тиск в 1 Па, а атмосферний тиск — 100 тис. паскаль. Отримувати, що потрібно покласти один на інший 100 тис. аркушів паперу, щоб вони виробляли такий тиск. Цікаво, чи не так? Атмосферний тиск і вага повітря досить великі, тому з такою силою заштовхували воду всередину пляшки в ході досвіду.