Iz samog koncepta "atmosferskog pritiska" proizilazi da vazduh mora imati težinu, inače ne bi mogao vršiti pritisak ni na šta. Ali mi to ne primjećujemo, čini nam se da je zrak bestežinski. Prije nego što pričate o atmosferskom tlaku, morate dokazati da zrak ima težinu, morate je nekako izvagati. Kako uraditi? U članku ćemo detaljno razmotriti težinu zraka i atmosferski tlak, proučavajući ih uz pomoć eksperimenata.
Iskustvo
Izvagat ćemo zrak u staklenoj posudi. Ulazi u kontejner kroz gumenu cijev u vratu. Ventil zatvara crijevo tako da u njega ne ulazi zrak. Vakum pumpom uklanjamo vazduh iz posude. Zanimljivo, kako pumpanje napreduje, zvuk pumpe se mijenja. Što manje zraka ostane u tikvici, pumpa radi tiše. Što duže ispumpavamo vazduh, pritisak u posudi postaje niži.
Kada se sav zrak ukloni,zatvorite slavinu, stisnite crijevo da blokirate dovod zraka. Izmerite bocu bez vazduha, a zatim otvorite slavinu. Vazduh će ući uz karakterističan zvižduk, a njegova težina će biti dodata težini tikvice.
Prvo stavite praznu posudu sa zatvorenim slavinom na vagu. Unutar kontejnera je vakuum, hajde da ga izmerimo. Otvorimo slavinu, vazduh će ući unutra i ponovo izmeriti sadržaj tikvice. Razlika između težine napunjene i prazne tikvice bit će masa zraka. Jednostavno je.
Težina vazduha i atmosferski pritisak
Sada pređimo na rješavanje sljedećeg problema. Da biste izračunali gustinu zraka, morate podijeliti njegovu masu sa zapreminom. Zapremina tikvice je poznata jer je označena na bočnoj strani tikvice. ρ=mvazduh /V. Moram reći da je za postizanje takozvanog visokog vakuuma, odnosno potpunog odsustva zraka u posudi, potrebno dosta vremena. Ako je tikvica 1.2L, to je oko pola sata.
Saznali smo da vazduh ima masu. Zemlja ga vuče i stoga na njega djeluje sila gravitacije. Vazduh se gura na tlo sa silom jednakom težini vazduha. Atmosferski pritisak, dakle, postoji. To se manifestira u raznim eksperimentima. Hajde da uradimo jedno od ovih.
Eksperiment sa špricom
Uzmite prazan špric na koji je pričvršćena fleksibilna cijev. Spustite klip šprica i uronite crijevo u posudu s vodom. Povucite klip prema gore i voda će početi da se diže kroz cijev, ispunjavajući špric. Zašto se voda, koju gravitacija povlači, još uvijek diže iza klipa?
U posudi je pogođen od vrha do dnaAtmosferski pritisak. Označimo ga Patm. Prema Pascalovom zakonu, pritisak koji atmosfera vrši na površinu tekućine prenosi se nepromijenjen. Širi se na sve tačke, što znači da unutar cevi postoji i atmosferski pritisak, a u špricu iznad sloja vode postoji vakuum (bezvazdušni prostor), tj. P=0. Tako ispada da atmosferski pritisak pritiska vodu odozdo, ali nema pritiska iznad klipa, jer je tamo praznina. Zbog razlike pritiska voda ulazi u špric.
Eksperimentirajte sa živom
Težina vazduha i barometarski pritisak - koliko su veliki? Možda je to nešto što se može zanemariti? Uostalom, jedan kubni metar željeza ima masu od 7600 kg, a jedan kubni metar zraka - samo 1,3 kg. Da bismo razumjeli, modificirajmo eksperiment koji smo upravo izveli. Umjesto šprica, uzmite bocu zatvorenu čepom sa cijevi. Spojite cijev na pumpu i počnite pumpati zrak.
Za razliku od prethodnog iskustva, mi stvaramo vakuum ne ispod klipa, već u cijelom volumenu boce. Isključite pumpu i istovremeno spustite cijev boce u posudu s vodom. Vidjet ćemo kako je voda napunila bocu kroz cijev za samo nekoliko sekundi uz karakteristični zvuk. Velika brzina kojom je "upala" u bocu ukazuje da je atmosferski pritisak prilično velika vrijednost. Iskustvo to dokazuje.
Prvi put je izmjeren atmosferski pritisak, težina zraka talijanskog naučnika Torricellija. Imao je takvo iskustvo. Uzeo sam staklenu cijev dužine nešto više od 1 m, zatvorenu na jednom kraju. Napunio ga živom do vrha. PoslijeZatim je uzeo posudu sa živom, prstom uštipnuo njen otvoreni kraj, okrenuo epruvetu i uronio je u posudu. Da nije bilo atmosferskog pritiska, tada bi se sva živa izlila, ali to se nije dogodilo. Delimično se izlio, nivo žive se spustio na visinu od 760 mm.
Dogodilo se jer je atmosfera pritiskala živu u kontejneru. Upravo iz tog razloga je u našim prethodnim eksperimentima voda gurana u cijev, zbog čega je voda pratila špric. Ali u ova dva eksperimenta uzeli smo vodu čija je gustina mala. Živa ima veliku gustinu, pa je atmosferski pritisak uspeo da podigne živu, ali ne do samog vrha, već samo za 760 mm.
Prema Pascalovom zakonu, pritisak koji se vrši na živu prenosi se na sve njene tačke nepromijenjen. To znači da unutar cijevi postoji i atmosferski tlak. Ali s druge strane, ovaj pritisak je uravnotežen pritiskom kolone tečnosti. Označimo visinu stuba žive sa h. Možemo reći da atmosferski pritisak djeluje odozdo prema gore, a hidrostatički pritisak djeluje odozgo prema dolje. Preostalih 240 mm je prazno. Inače, ovaj vakuum se naziva i Torricelli praznina.
Formula i izračuni
Atmosferski pritisak Patm jednak je hidrostatičkom pritisku i izračunava se po formuli ρptgh. ρpt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 m Patm=101,3 kPa. Ovo je prilično veliki iznos. List papira koji leži na stolu proizvodi pritisak od 1 Pa, a atmosferski pritisak je 100.000 paskala. Ispostavilo se da morate staviti100.000 listova papira jedan na drugom da se proizvede takav pritisak. Zanimljivo, zar ne? Atmosferski pritisak i težina vazduha su veoma visoki, pa je tokom eksperimenta voda gurnuta u bocu takvom silom.
