Menu Close

Чому дорівнює 1 атмосфера у кілограмах

§ 25. Атмосферний тиск і його вимірювання. Барометри

Коли ми робимо, наприклад, ковток чаю, навряд чи розмірковуємо над фізикою цього процесу. Проте ковтання, так само як і багато інших процесів, відбувається завдяки тиску повітря навколо нас — атмосферному тиску. Відкриємо деякі важливі властивості цього тиску та навчимося його вимірювати.

1. Згадуємо відомості про атмосферу

Ви добре знаєте, що наша планета Земля оточена повітряною оболонкою. Повітряну оболонку Землі називають атмосферою (у перекладі з грецької — «пара» і «сфера») (рис. 25.1).

Рис. 25.1. Атмосфера починається біля поверхні Землі й простягається в космічний простір приблизно на 100 км

Чому ж існує повітряна оболонка Землі?

Повітря, як і будь-які інші речовини, складається з молекул і атомів. Молекули й атоми мають масу, тому вони притягуються до Землі завдяки дії сили тяжіння.

Разом із тим величезна кількість молекул газів, що складають атмосферу, перебувають у неперервному хаотичному русі — весь час вони зіштовхуються, відскакують одна від одної, змінюють значення та напрямок швидкості свого руху. Через це вони не падають на Землю, а перебувають у просторі біля неї.

2. Доводимо існування атмосферного тиску

За підрахунками, атмосфера Землі має масу близько 5 • 10 18 кг. Під дією сили тяжіння верхні шари атмосфери тиснуть на її нижні шари, тому повітряний шар навколо поверхні Землі стиснутий найбільше і, згідно із законом Паскаля, створює тиск на поверхню Землі й на всі тіла поблизу неї. Це і є атмосферний тиск (pатм).

Атмосферний тиск зумовлює існування всмоктування — підняття рідини за поршнем (у насосах, шприцах тощо) (рис. 25.2). Якщо піднімати поршень, то атмосферний тиск, діючи на вільну поверхню рідини в посудині, нагнітатиме рідину вгору, в порожнечу під поршнем. Іззовні все має такий вигляд, наче рідина піднімається за поршнем сама по собі.

До речі, протягом тривалого часу підняття рідини за поршнем, який рухається вгору, залишалось одним із доказів відомого принципу, автором якого був Аристотель, що «природа боїться порожнечі». Проте в середині XVII ст. у ході спорудження фонтанів у Флоренції зіткнулися з незрозумілим — виявилося, що вода, яку всмоктують насоси, не піднімається вище за 10,3 м (рис. 25.3). Ґалілео Ґалілей запропонував розібратися в цьому своїм учням — Еванджелісті Торрічеллі (1608-1647) і Вінченцо Вівіані (1622-1703). Розв’язуючи цю проблему, Торрічеллі вперше довів існування атмосферного тиску.

Рис. 25.2. Рідина піднімається за поршнем, тому що на вільну поверхню рідини в посудині тисне атмосфера

Рис. 25.3. У 1638 р. не вдалося прикрасити сади Флоренції фонтанами, оскільки вода не піднімалася вище за 10,3 м

3. Вимірюємо атмосферний тиск

Для зручності проведення дослідів Е. Торрічеллі здогадався замінити воду рідиною зі значно більшою густиною. Скляну трубку завдовжки близько метра, запаяну з одного кінця, Торрічеллі доверху наповнив ртуттю. Потім, щільно закривши отвір, перевернув трубку, опустив її в чашу із ртуттю і відкрив отвір — частина рідини з трубки вилилася в чашу. У трубці залишився стовп ртуті приблизно 760 мм заввишки, а над ртуттю утворилася порожнеча (рис. 25.4).

Рис. 25.4. Модель трубки Торрічеллі: висота h стовпа ртуті в трубці завжди становить близько 760 мм

Провівши численні досліди, Торрічеллі встановив: висота стовпа ртуті, що залишається в трубці, не залежить ані від довжини трубки, ані від її діаметра. Висота трохи змінюється тільки залежно від погоди.

Торрічеллі також знайшов відповідь на те, чим визначається саме така висота стовпа ртуті.

Однорідна рідина в трубці та чаші не рухається, і це означає, що, згідно із законом Паскаля, тиск на поверхню ртуті з боку атмосфери і гідростатичний тиск стовпа ртуті в трубці є однаковими. Тобто тиск стовпа ртуті висотою 760 мм дорівнює атмосферному.

Тиск, який створює стовп ртуті висотою 760 мм, називають нормальним атмосферним тиском:

У даному випадку за одиницю атмосферного тиску прийнято один міліметр ртутного стовпа (1 мм рт. ст.).

Подамо нормальний атмосферний тиск в одиницях CI — паскалях. Із матеріалів § 24 ви вже знаєте, що гідростатичний тиск обчислюють за формулою: p = pgh.

Ураховуючи, що густина ртуті pрт = 13 600 кг/м 3 , g = 9,8 Н/кг, а висота стовпа ртуті h = 0,76 м, маємо:

У фізиці й техніці також використовують позасистемну одиницю атмосферного тиску — фізичну атмосферу (1 атм).

Одна фізична атмосфера дорівнює нормальному атмосферному тиску: 1атм ≈ 100 кПа.

4. Вивчаємо конструкцію барометра-анероїда

Якщо вдосконалити трубку Торрічеллі, приєднавши до неї вертикальну шкалу (лінійку), то отримаємо найпростіший барометр — прилад для вимірювання атмосферного тиску. Дія барометра заснована на тому, що стовп рідини припиняє підніматися (опускатися) в момент, коли гідростатичний тиск стовпа цієї рідини починає дорівнювати атмосферному тиску.

Барометр Торрічеллі є доволі точним приладом, але великий розмір, отруйні пари ртуті та скляна трубка роблять його незручним для повсякденного використання. Тому сьогодні частіше застосовують так звані барометри-анероїди — прилади для вимірювання атмосферного тиску, які діють без допомоги рідини (рис. 25.5).

Рис. 25.5. Барометр-анероїд: а — зовнішній вигляд; б — будова

Головна частина барометра-анероїда — легка й пружна порожня металева коробочка 1 з гофрованою (ребристою) поверхнею. Повітря в коробочці перебуває за зниженого тиску. До стінки коробочки прикріплена стрілка 2, насаджена на вісь 3. Кінець стрілки пересувається по шкалі 4, розміченій у міліметрах ртутного стовпа або в паскалях. Усі деталі барометра розміщені в корпусі, спереду закритому склом.

Зміна атмосферного тиску приводить до зміни сили, яка стискає стінки коробочки. Відповідно, змінюється й вигин цих стінок, що спричиняє рух стрілки.

Барометри-анероїди зручніші у використанні, ніж ртутні прилади: вони легкі, компактні та безпечні.

5. Виявляємо залежність атмосферного тиску від погоди та висоти

Покази барометра змінюються в разі зміни погоди. Зазвичай атмосферний тиск перед негодою падає, а перед сонячною погодою зростає.

Проте покази барометра залежать не тільки від погоди, а й від висоти місця спостереження над рівнем моря. Чим вище, тим меншим є атмосферний тиск. Поблизу поверхні Землі через кожні 11 м висоти тиск меншає приблизно на 1 мм рт. ст.

Завдяки тому що атмосферний тиск залежить від висоти, барометр можна проградуювати так, щоб за тиском повітря визначати висоту. Так було винайдено альтиметр — прилад для вимірювання висоти (рис. 25.6).

Рис. 25.6. Альтиметр на руці парашутиста

Підбиваємо підсумки

Повітря має масу. Через притягання Землі верхні шари повітряної оболонки Землі — атмосфери — тиснуть на нижні. Тиск повітря на поверхню Землі та на всі тіла поблизу неї називають атмосферним тиском.

Точне вимірювання атмосферного тиску забезпечує ртутний барометр (барометр Торрічеллі). Тиск стовпа ртуті висотою 760 мм (101325 Па ≈ 100 кПа) — це нормальний атмосферний тиск.

На практиці використовують барометри-анероїди завдяки їхній зручності, невеликим розмірам, безпечності. За допомогою барометрів можна прогнозувати зміну погоди, визначати висоту: атмосферний тиск зменшується перед негодою, а також із висотою.

Контрольні запитання

1. Що таке атмосфера і чому вона існує? 2. Чому існує атмосферний тиск? 3. Які факти свідчать про існування атмосферного тиску? 4. Опишіть будову та принцип дії ртутного барометра. 5. У яких одиницях вимірюють атмосферний тиск? 6. Дайте означення нормального атмосферного тиску. Подайте нормальний атмосферний тиск у паскалях. 7. Опишіть конструкцію та принцип дії барометра-анероїда. 8. Які переваги барометрів-анероїдів зумовили їх широке використання? 9. Чому за допомогою барометрів можна прогнозувати погоду та вимірювати висоту?

Вправа № 25

1. Чи діє на рибок в акваріумі атмосферний тиск? Чому?

2. Чому вода піднімається, якщо її втягувати через соломинку?

3. Чи можна розрахувати атмосферний тиск за формулою p = pgh , де p — густина повітря, а h — висота атмосфери?

4. Подайте тиск 1 мм рт. ст. у паскалях.

5. Подайте тиск 550 мм рт. ст. у кілопаскалях; тиск 93 324 Па — у міліметрах ртутного стовпа.

6. Поясніть, чому зі збільшенням висоти над рівнем моря атмосферний тиск зменшується.

7. На якій висоті розташований оглядовий майданчик телевізійної вежі, якщо атмосферний тиск біля підніжжя вежі становить 760 мм рт. ст., а на висоті майданчика — 740 мм рт. ст.?

8. Скористайтесь додатковими джерелами інформації і знайдіть відомості про роль атмосферного тиску в житті людей і тварин. Підготуйте стисле повідомлення.

9. Згадайте, чому рідини та гази створюють тиск. У чому особливості цього тиску?

Експериментальні завдання

1. Знайдіть у додаткових джерелах описи цікавих дослідів, що доводять існування атмосферного тиску. Виконайте деякі з них, підготуйте повідомлення або фотозвіт.

2. «Пастка для руки». Надіньте на трилітрову скляну банку гумову рукавичку, як показано на рис. 1. Загерметизуйте місце з’єднання рукавички і банки скотчем, а потім всуньте в рукавичку руку (рис. 2). Тепер спробуйте витягти руку. Що заважає це зробити? Чи стане легше витягти руку, якщо рукавичку проколоти? Чому?

Рис. 1

Рис. 2

Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.

§ 37. Атмосферний тиск

1. Ви добре знаєте, що планета Земля оточена газовою оболонкою — атмосферою. До складу атмосфери входять такі гази, як азот, кисень, вуглекислий газ, аргон, водень та ін. Повітря, як і інші гази, має масу. Це можна показати на досліді.

Візьмемо скляну колбу, щільно закриємо її корком зі вставленою в нього гумовою трубкою із затискачем. Викачаємо насосом з колби повітря, перекриємо затискачем трубку і зрівноважимо колбу на терезах (рис. 109). Потім відкриємо затискач на гумовій трубці і побачимо, що рівновага терезів порушиться. Це означає, що колба стала важчою, коли в неї впустили повітря.

Рис. 109

Рис. 110

2. Оскільки повітря має масу, то на нього діє сила тяжіння, внаслідок чого вона створює тиск на поверхню Землі і на всі тіла, що знаходяться на ній.

Атмосферним тиском називають тиск повітряної оболонки Землі на її поверхню і на всі тіла, що знаходяться на ній.

В існуванні атмосферного тиску легко переконатися на досліді. Опустимо у воду кінець скляної трубки з поршнем, який щільно прилягає до її внутрішньої поверхні (рис. 110). Якщо далі поршень піднімати вгору, то вода буде підніматися по трубці услід за ним.

Це відбувається тому, що при підніманні поршня між ним і поверхнею води створюється розріджений простір. На вільну поверхню води в посудині діє атмосферний тиск, який згідно із законом Паскаля передається без змін в усіх напрямах, у тому числі і в напрямі трубки. Таким чином, атмосферний тиск і змушує воду підніматися услід за поршнем.

3. Виникає запитання: як розрахувати величину атмосферного тиску? Очевидно, що використовувати формулу, за якою ми раніше розраховували тиск стовпа рідини, тут не можна, оскільки для цього потрібно знати висоту атмосфери і густину її повітря. Але, як вам відомо, певної чіткої межі атмосфери не існує, а густина повітря з висотою зменшується. Вважається, що атмосфера сягає висоти кілька тисяч кілометрів, плавно переходячи у дуже розріджене міжпланетне середовище. Тому розрахувати атмосферний тиск дуже складно, але його можна виміряти.

4. Уперше атмосферний тиск виміряв італійський учений Еванжеліста Торрічеллі (16081647). Його дослід полягав у наступному. Скляну трубку завдовжки біля 1 м, запаяну з одного кінця, вщерть заповнювали ртуттю. Закривши відкритий кінець трубки, її перевертали і вертикально опускали в посудину із ртуттю (рис. 111). Потім цей кінець трубки відкривали. Частина ртуті виливалася з трубки в посудину, а більша частина залишалася в трубці. Висота стовпа ртуті, що залишалася в трубці, виявилася рівною біля 760 мм.

Еванжеліста Торрічеллі

Пояснити цей дослід можна так. Атмосферний тиск діє на ртуть у посудині і передається нею в усіх напрямах. На рівні ОО’ цей тиск діє на ртуть у трубці знизу вгору і зрівноважує тиск стовпа ртуті в трубці. У трубці над ртуттю повітря немає, там безповітряний простір, або, як його називали у XVII ст., торрічеллієва пустота. Якщо точно, то над ртуттю у трубці знаходиться пара ртуті, але її тиск надзвичайно низький і ним зазвичай нехтують.

Рис. 111

Отже, атмосферний тиск дорівнює тиску, який чинить стовп ртуті на рівні ОО’ заввишки 760 мм. Цей тиск називають нормальним атмосферним тиском.

Якщо атмосферний тиск унаслідок зміни погодних умов підвищується, то висота стовпа ртуті в трубці стає більшою за 760 мм, якщо він зменшується, то стовп ртуті опускається нижче.

5. Нормальний атмосферний тиск можна розрахувати за формулою обчислення тиску стовпа рідини заввишки h: p = pgh. Оскільки p = 13,6 • 10 3 кг/м 3 , а висота стовпа ртуті h = 0,76 м, то

p = 13,6 • 10 3 кг/м 3 • 9,8 м/с 2 • 0,76 м = 101300 Па ≈ 1,01 • 105 Па.

Атмосферний тиск часто виражають не в паскалях, а в міліметрах ртутного стовпа (мм рт. ст.).

1 мм рт. ст. — це тиск, який чинить стовп ртуті заввишки 1 мм. Щоб виразити цей тиск у паскалях, потрібно у формулу p = pgh підставити h = 0,001 м.

p = 13,6 • 10 3 кг/м 3 • 9,8 м/с 2 • 0,001 м = 133,3 Па.

Отже, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па. Нормальний атмосферний тиск становить 760 мм рт. ст. = 101300 Па ≈ 1,01 • 10 5 Па.

6. Якщо до трубки, що використовувалася у досліді Торрічеллі, прикріпити вертикальну шкалу і проградуювати її в міліметрах, то вийде прилад для вимірювання тиску — ртутний барометр.

7. За допомогою ртутного барометра можна досить точно виміряти атмосферний тиск, але він має деякі суттєві недоліки: пара ртуті досить токсична, барометр незручний у транспортуванні — можна розбити трубку, розлити ртуть тощо. А тому в побуті і техніці для вимірювання атмосферного тиску використовується зручний у користуванні металевий барометр — анероїд (у перекладі з грецької — «безрідинний»). Його зовнішній вигляд зображено на рис. 112, а).

Барометр-анероїд являє собою металеву геометрично закриту коробочку 1, з якої викачане повітря (рис. 112, б). Щоб її не роздушив атмосферний тиск, поверхню коробочки роблять хвилястою. До неї приєднують сталеву пружину 2, що має форму пластини.

Рис. 112

Один кінець цієї пружини з’єднаний зі стрілкою 3 за допомогою спеціального пристрою 4, який забезпечує переміщення стрілки відносно шкали 5. За збільшення атмосферного тиску кінці пружини зближуються, і стрілка повертається, а її кінець зміщується вправо по шкалі. За зменшення атмосферного тиску кінці пружини віддаляються один від одного, і кінець стрілки переміщається вліво по шкалі. Шкала проградуйована у мм рт. ст. і в гПа.

8. Атмосферний тиск залежить від висоти над рівнем моря. Це пояснюється тим, що повітря добре стискуване, так само, як і всі гази. Верхні шари повітря діють на нижні і стискають їх. Відповідно густина повітря і тиск біля поверхні Землі більші, ніж на певній висоті над нею.

Так, у місцевості, що лежить на рівні моря, тиск становить біля 760 мм рт. ст., тобто дорівнює нормальному атмосферному тиску. У горах він менший. Вимірювання показують, що до висоти 2000 м на кожні 12 м підйому атмосферний тиск зменшується приблизно на 1 мм рт. ст. З подальшим збільшенням висоти атмосферний тиск зменшується повільніше. Так, на висоті 8000 м він складає 267,4 мм рт. ст., а на висоті 50 км — 0,6 мм рт. ст.

9. На тіло людини діє сила тиску атмосфери приблизно 160 кН. Таке навантаження людина може витримати тому, що воно зрівноважується тиском рідин, які заповнюють клітини і судини тіла. Але захисні властивості організму людини, що розвинулися в процесі її еволюції, не безмежні. При значній зміні тиску порушується життєдіяльність організму, змінюється швидкість хімічних реакцій у ньому.

Особливо небезпечним є значне і різке зменшення тиску: починається інтенсивне виділення газів, розчинених у крові, і вона ніби закипає. Тому водолази повинні повільно спливати з глибини, щоб газ виділявся тільки з легень.

Живі організми не тільки пристосувалися до атмосферного тиску та його змін, але й до тиску води. Так, у найглибших місцях Світового океану виявлені організми, які живуть при тиску, що приблизно у тисячі разів перевищує нормальний атмосферний тиск.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Що називають атмосферним тиском? Чому він існує?
  • 2. Наведіть приклади дослідів, що підтверджують існування атмосферного тиску.
  • 3. Чи можна розрахувати атмосферний тиск так само, як тиск стовпа рідини? Чому?
  • 4. Яка мета досліду Торрічеллі? Як він проводився?
  • 5. Чому не виливається повністю ртуть з трубки у досліді Торрічеллі?
  • 6. Якими приладами вимірюють атмосферний тиск? Яка їх будова і принцип дії?
  • 7. Які існують одиниці вимірювання атмосферного тиску? Який зв’язок між ними?
  • 8. Як і чому змінюється атмосферний тиск зі зміною висоти над рівнем моря?
  • 9. Чому підйом водолазів з великої глибини повинен відбуватися повільно?

Завдання 27

  • 1. Чому молекули газів, що входять до складу атмосфери, не падають на Землю під дією сили тяжіння?
  • 2. Чому молекули газів, що входять до складу повітря, не залишають Землю? Візьміть до уваги, що для того, щоб залишити Землю, молекула повинна мати швидкість 11,2 км/с.
  • 3. Фонтан можна сконструювати таким способом: узяти трубку, запаяну з одного боку. З іншого боку закрити її корком, в який вставлена трубка з краном. Якщо з трубки викачати повітря, а потім помістити її у посудину з водою (рис. 113) і відкрити кран, в трубці утвориться фонтан. Поясніть дію фонтана.

Рис. 113

  • 4. Поясніть, як діють піпетка і шприц. Проробіть з ними досліди.
  • 5. Який барометр дає точніші покази: ртутний чи анероїд? Чому?
  • 6. Повітряну кульку зав’язали і поклали під ковпак повітряного насоса, з-під якого почали викачувати повітря. Що буде відбуватися з кулькою? Чому?
  • 7. Чи можна в досліді Торрічеллі замінити ртуть водою? Якої довжини трубку потрібно було б узяти в цьому випадку?
  • 8. Виразіть у паскалях артеріальний тиск крові, верхня межа якого становить 120 мм рт. ст., а нижня — 80 мм рт. ст.
  • 9. Барометр показує у класі атмосферний тиск 740 мм рт. ст., а в цей самий час біля річки — 760 мм рт. ст. На якій висоті відносно річки знаходиться школа?
  • 10. Обчисліть, яка приблизно сила діє на людину з боку повітря, якщо атмосферний тиск становить 740 мм рт. ст. Площу поверхні тіла людини візьміть рівною 1,5 м 2 .
  • 11*. Аквалангіст під час занурення у море досягнув глибини 20 м. Визначте, якого тиску він зазнав? Атмосферний тиск нормальний.
  • 12. Проробіть наступний дослід. Візьміть склянку, вщерть заповніть її водою і зверху накрийте аркушем цупкого паперу. Притримуючи папір долонею, переверніть склянку вгору дном і відпустіть папір. Чому папір не відпадає від склянки? Чому, якщо папір проколоти, він відпаде від склянки і вся вода виллється?