Відкриття тиску повітря в навчальному посібнику з фізики студентів-фізиків
Історія відкриття тиску повітря тягнеться з найдавніших часів до 17 століття. Це було тісно пов’язано з пошуком вакууму, вакууму. Близько 1630 року ГАЛІЛЕО ГАЛІЛЕЙ був обізнаний про проблему будівельниками свердловин, які доручили своєму вихованцеві ЕВАНГЕЛІСТА ТОРРІКЕЛЛІ вирішити її. TORRICELLI вперше зміг виміряти тиск повітря.
BLAISE PASCAL, який про це дізнався, побудував перший барометр. ОТТО ФОН ГЕРІКЕ став всесвітньо відомим завдяки своїм «магдебурзьким півкулям», за допомогою яких він вражаюче продемонстрував вплив тиску повітря в 1654 році. Тиск повітря - це особливий тип гравітаційного тиску. Це відбувається через вагу повітряного стовпа (атмосфери) і, отже, найбільше на землі. Нормальний тиск повітря при 0 ° C на рівні моря називається стандартним тиском. У нього є сума
1013,25 гПа = 1013,25 мбар = 101,325 кПа = 760 торр.
Відкриття тиску повітря було тісно пов’язане з пошуком вакууму.
З давніх часів вважалося, що вакууму бути не може. Як щось повинно існувати в «нічому»? АРИСТОТЛ (близько 384-322 рр. До н. Е.) Дотримувався думки, що природа мала "жах порожнечі" (horror vacui). Цей принцип діяв до Середньовіччя.
Перші дослідження тиску повітря
Близько 1630 року відомий італійський натураліст ГАЛІЛЕО ГАЛІЛЕЙ (1564-1642) будівельники свердловин поінформували про проблему, що вони можуть насосами піднімати воду лише з глибини приблизно 10 м. Він доручив своєму студенту ЕВАНГЕЛІСТІ ТОРРІКЕЛЛІ (1608-1647) дослідити цю проблему.
TORRICELLI (рис. 1) експериментував з довгими пробірками, наповненими ртуттю замість води. Ртуть має набагато більшу щільність, ніж вода. Під час цих експериментів він виявив, що ртутний стовп у заповненій ртуттю трубці, яку перевернули і помістили в ртуть отвором, спрямованим вниз, занурювався, поки він не становив лише близько 760 мм завдовжки.
Подальші дослідження тиску повітря
Французький дослідник BLAISE PASCAL (1623-1662) також дізнався про відкриття ТОРРІКЕЛІ. За допомогою тестової установки TORRICELLI він першим визначив коливання тиску повітря і винайшов перший барометр. PASCAL вважав, що тиск повітря обумовлений важкістю повітря. Він зробив висновок, що тоді тиск повітря зі збільшенням висоти, напр. Б. піднімаючись на гору, повинен зменшуватися. Оскільки в той час він сам не мав можливості провести експеримент, він написав своєму шваґру ПЕРЬЄ у своєму рідному місті Клермон 15 листопада 1647 року. Він попросив його перевірити, чи барометр на сусідній приблизно 900 м висоті Пюї-де-Доме показує нижче значення, ніж у Клермонті. PERIER був готовий і здійснив експеримент 19 вересня 1648 р. З великою обережністю. Результат підтвердив презумпцію, яка остаточно спростувала концепцію "жаху вакууму".
EVANGILASTA TORRICELLI (1608-1647)
На рисунку 2 показано тестове налаштування TORRICELLI. Гравітаційний тиск цієї ртутної колони довжиною 760 мм потрібно було збалансувати з тиском повітря. Очевидно, над колоною був вакуум. Тиск 760 мм рт. Ст. Відповідає нормальному тиску повітря (стандартному тиску). На честь TORRICELLI, пізніше відповідну одиницю тиску повітря назвали 1 Torr:
1 Torr ≙ 1 мм рт. Ст. 760 Torr ≙ 760 мм. Ртутного стовпа
Подібне дослідження з водою показує: Водяний стовп , який здійснює нормальний тиск повітря і, таким чином, відповідає тиску повітря, має довжину 10,33 м, що також є причиною того, що всмоктуючий насос може перекачувати воду лише з глибини приблизно.
Наступна цитата з листа до його друга чітко описує спробу Торрічеллі пояснити свої результати:
«Цілком можна припустити, що сила, яка запобігає падінню ртуті, відповідно до її природи, діє всередині посудини або від вакууму, або від якоїсь дуже розбавленої речовини. Але я переконаний, що ефект виходить ззовні. Бо на зовнішній поверхні ртуті стоїть повітряна колона висотою п’ятдесят миль. Тож не дивно, що ртуть проникає в скляну трубку і піднімається настільки високо, що приходить у рівновагу з вагою зовнішнього тиску, що чинить повітря ".
(Від: Е. ТОРРІКЕЛІ: Лист до РІКЧІ від 11 червня 1644 р.)
Експеримент ТОРРІКЕЛІ щодо тиску повітря
У Магдебурзі OTTO VON GUERICKE (1602-1686) експериментував з насосами незалежно від TORRICELLI та PASCAL і винайшов повітряний насос. Він став всесвітньо відомим через "півкулі Магдебурга".
OTTO VON GUERICKE (рис. 3) спочатку вивчав право в Лейпцигу, Гельмштедті та Єні, а потім математику, механіку та будівництво в Лейдені, Голландія. У рідному місті Магдебурзі, куди він повернувся в 1626 році, він став радником, а згодом мером.
Крім того, GUERICKE займався питанням, чи є порожній простір, вакуум. З цією метою він провів численні експериментальні дослідження. Однією з його ідей було наступне: якщо ви повністю заповніть бочку водою, а потім викачаєте цю воду, то бочка згодом повинна бути порожньою. У ньому повинен бути вакуум.
Експериментальна реалізація цієї ідеї зіткнулася з великими труднощами: як тільки частина води викачувалась із стовбура, повітря крізь усі щілини в бочці свиснуло повітря. При використанні тонкостінної кулі вона повністю стискалася від тиску повітря. Лише набагато стійкіша конструкція, що складається з двох півкуль, витримала величезний тиск.
OTTO VON GUERICKE (1602-1686)
У 1654 р. ГЕРІКЕ здійснив свій знаменитий експеримент із двома півкулями перед Рейхстагом Регенсбурга (рис. 4). Повітря викачувалося з двох півкуль, зібраних у кулю. 16 коней не змогли подолати тиск повітря, що утримував півкулі. На честь рідного міста ГВЕРІКІВ, такі півкулі зараз називають "півкулями Магдебурга".
Подальшими дослідженнями фізики газів ми завдячуємо ірландському фізику та хіміку РОБЕРТУ БОЙЛУ (1627-1691). Основним предметом його фізичних досліджень були експерименти з повітряним насосом, які він значно вдосконалив. Найбільш значним його відкриттям став закон про співвідношення об'єму і тиску повітря, названий на його честь і французьким МАРІОТ.
Знаменитий експеримент з магдебурзькими півкулями
Створення тиску повітря
Створення тиску повітря можна проілюструвати ескізом (рис. 2): Якщо ви, наприклад, Б. на землі, вага повітряного стовпа вище діє на площу А в цей момент. Сила на площу дорівнює тиску, який чинить стовп повітря. Тиск повітря, таким чином, є тиском сили тяжіння, подібним до тиску сили тяжіння в рідинах.
Якщо, з іншого боку, ви перебуваєте на більшій висоті, стовп повітря вище має меншу висоту. Тиск повітря нижчий. Але немає пропорційного співвідношення між висотою над землею і тиском повітря.
Стандартний тиск
Нормальний тиск повітря на рівні моря при 0 ° C називається стандартним тиском. Це 101,325 кПа. Тиск повітря, а також стандартний тиск іноді даються в інших одиницях виміру. Одиниці мілібар (1 мбар), гектопаскаль (1 гПа) або торр (1 торр) також є загальними для тиску повітря. Застосовується наступне:
101,325 кПа = 1013,25 мбар
101,325 кПа = 1013,25 гПа
101,325 кПа = 760 Торр = 10,33 м стовпа води
Тиск повітря коливається навколо цього стандартного тиску і зазвичай має значення від 970 гПа для області низького тиску і до
1030 гПа для зони високого тиску.
Вимірювання тиску повітря
Прилади для вимірювання тиску повітря називаються барометрами. Це манометри, спеціально розроблені для вимірювання тиску повітря і мають діапазон вимірювання навколо стандартного тиску. Більш детальну інформацію можна знайти за ключовим словом “Барометр”.
Тиск повітря створюється самим повітрям. Це гравітаційний тиск, який створюється вагою повітряного стовпа (атмосфери).
Залежність тиску повітря від висоти
Тиск повітря залежить від висоти над землею. Застосовується наступне:
Тиск повітря зменшується із збільшенням висоти.
Діаграма тиску повітря і висоти більш точно показує взаємозв'язок (рис. 6): Тиск повітря спочатку різко зменшується із збільшенням висоти, потім все менше і менше. Однак не існує пропорційності між висотою та тиском повітря. Застосовується так звана формула барометричної висоти:
p = p 0 ⋅ e - ρ 0 ⋅ g ⋅ h p 0 p 0 стандартний тиск e число Ейлера ρ 0 щільність повітря при стандартному тиску g просторовий коефіцієнт (прискорення за рахунок сили тяжіння) h висота над земною поверхнею
Наприклад, тиск повітря на найвищу гору Німеччини Цугшпітце (висота: 2962 м) все ще становить близько 700 гПа. На найвищій горі на землі, горі Еверест (8 848 м), вона становить лише близько 340 гПа і на висоті польоту сучасні пасажирські літаки (10 000 м) все ще становлять 290 гПа.
Залежність тиску повітря від висоти використовується в альтиметрах. Оскільки тиск залежить від висоти, застосовується таке: Для кожної висоти нормальний тиск повітря має певне значення. Якщо виміряти тиск повітря, ви можете визначити висоту з нього.