Атмосферное давление

Атмосфера Земли - газовая оболочка, в состав которой входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы.

Всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А производит ли давление атмосфера Земли? Чем обусловлено это давление?

Атмосфера Земли удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на нижние. Поэтому нижний слой оказывается наиболее сжатым. Давление одного слоя атмосферы на другой по закону Паскаля передается по всем направлениям и действует на любое тело: на здания, на растения, на людей. Это давление называют атмосферным. Атмосферное давление по мере удаления от поверхности Земли уменьшается. Уменьшается толщина слоя воздуха, создающего давление, и его плотность.

Атмосферное давление можно рассчитать. Результаты этих расчетов не могут не удивлять. Атмосферное давление равно примерно \(100\:000 \frac{Н}{м^{2}}\). Значит, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила \(10\:Н\), а на всю площадь поверхности тела (примем ее за \(1\:м^{2}\)) - сила \(100\:000\:Н\). Это равно весу десятитонного МАЗа! Как же мы живем под таким гигантским давлением?

Вспомним глубоководных рыб. Подобно им, мы просто не замечаем этой огромной сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха внутри нас (он растворен даже в нашей крови).

Так что же, атмосферное давление вообще нельзя обнаружить? Для ответа на этот вопрос обратимся к опыту. Возьмем стакан с водой, накроем его листом бумаги, перевернем, придерживая рукой лист, а затем уберем руку. Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается. Сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие веса налитой воды и разреженного воздуха в стакане.

Опустите иглу шприца в подкрашенную воду и поднимайте поршень вверх. Вы увидите, что жидкость поднимается вслед за поршнем противоположно направлению действия силы тяжести. Сила атмосферного давления заставляет сок подниматься вверх по трубочке. Опытов, в которых проявляется действие атмосферного давления, много.

Как измерить атмосферное давление? Рассмотрим наиболее важный из опытов, проведенный в 1643 г. по предложению итальянского физика и математика Эванджелисты Торричелли.

В этом опыте запаянная с одной стороны метровая стеклянная трубка заполнялась ртутью. Верхний конец трубки закрывался, трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд со ртутью, после чего отверстие открывалось. Часть ртути вытекала из трубки в сосуд. В трубке оставался столб ртути высотой \(H\) около 76 см (760 мм).

Что же удерживало от вытекания оставшуюся в трубке ртуть? Широкий сосуд и трубка - это, по сути, уже известные вам сообщающиеся сосуды. Над ртутью в трубке воздуха нет. На ртуть в широком сосуде действует атмосферное давление, которое жидкая ртуть передает по всем направлениям, в том числе вверх. Сила этого давления и поддерживает ртутный столб.

Рассмотрим условия равновесия тонкого слоя ртути. Это условие требует, чтобы сила атмосферного давления снизу и сила гидростатического давления столба ртути сверху были равны. А это значит, что \(p_{атм} = p_{гидрост}\). Таким образом, измерив высоту столба ртути \(H\), мы можем рассчитать его давление по формуле \(p_{гидрост} = gρH\) и тем самым определить величину атмосферного давления.

Поскольку атмосферное давление определяется высотой столба ртути, то понятно, почему очень часто его измеряют не в международных единицах (паскалях), а в миллиметрах ртутного столба.

Выразим в паскалях внесистемную единицу давления 1 миллиметр ртутного столба (сокращенно 1 мм рт. ст.): \[p_{1\:мм\:рт.\:ст.} = gρh = 9,8 \frac{Н}{кг} \cdot 13\:600 \frac{кг}{м^{3}} \cdot 0,001\:м ≈ 133\:Па.\]

По договоренности атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой \(h = 760\:мм\) при температуре \(t\) = 20 °С. Такое давление называют одной нормальной, или физической, атмосферой (сокращенно 1 атм): \[1\:атм = 760\:мм\:рт.\:ст. = 101\:293\:Па.\]

В большинстве случаев мы будем использовать округленное значение: \(1\:атм ≈ 100\:кПа.\)

Атмосферное давление играет важную роль во многих бытовых и технических устройствах. Оно не только позволяет пользоваться пипеткой или шприцом для набора лекарств, но и дает возможность простого, недорогого способа подъема воды. Знакомые многим резиновые присоски используются как в быту, так и на заводах для переноса сложнейших узлов электроники, прикосновение к которым (даже в перчатках) совершенно недопустимо.

В середине XVII в. в немецком городе Магдебурге ученым Отто фон Герике был проведен опыт-спектакль. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачан воздух. Для разрыва полушарий, т. е. для преодоления сил атмосферного давления, потребовалось 8 пар самых сильных лошадей. Разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.

Главные выводы:

  1. Удерживаемая земным притяжением атмосфера Земли производит давление.
  2. Человек не ощущает атмосферного давления, так как оно действует как снаружи, так и изнутри него.
  3. За нормальное атмосферное давление принято давление столба ртути высотой 760 мм.

Читать далее