Измерение атмосферного давления. Барометры и манометры

Ежедневно мы получаем информацию о величине атмосферного давления и его изменении. Почему оно не является постоянным? Почему на разных территориях Земли давление разное? Как давление зависит от высоты?

Атмосферное давление зависит от состава воздуха. Так, например, при поступлении влажного воздуха, насыщенного водяными парами, давление уменьшается, поскольку масса молекул воды заметно меньше массы других молекул атмосферы - азота и кислорода. Наиболее сжатыми, а значит, более плотными являются прилегающие к поверхности Земли слои атмосферы. Следовательно, значение атмосферного давления зависит от высоты места над уровнем моря. На вершине самой высокой (\(h = 8848\:м\)) горы Эверест давление почти в 3 раза меньше, чем у ее подножия.

Вода, как и другие жидкости, практически несжимаема. Поэтому давление жидкости от высоты столба зависит прямо пропорционально (\(p = gρh\)). Зависимость же атмосферного давления от высоты описывается гораздо более сложной формулой. Однако для расчетов, не требующих большой точности (при не очень больших высотах), можно считать, что при подъеме на каждые 12 м давление убывает на 1 мм рт. ст. Зависимость давления от высоты можно использовать для измерения высоты подъема (альпинистов, летательных аппаратов).

Так, если при подъеме давление уменьшилось на 20 мм рт. ст., то это значит, что высота подъема: \[h ≈ 20\:мм\:рт.\:ст. \cdot 12\:м = 240 \frac{м}{мм\:рт.\:ст.} = 240\:м.\]

Приборы, измеряющие высоту по такому принципу, называют альтиметрами (от лат. altius - выше и metron - мера).

Атмосферное давление измеряют барометрами (от греч. baros - тяжесть и metron - мера). Простейшим барометром является сосуд со ртутью и трубка, используемые в опыте Торричелли. Однако ртутные барометры не находят широкого применения, хотя имеют высокую точность. Пары ртути вредны для человека. На практике в основном пользуются металлическим барометром - анероидом. Хотя он менее точен, чем ртутный, но совершенно безопасен.

Главной частью анероида является металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) верхней и нижней поверхностями. Воздух из коробочки частично откачан.

При увеличении атмосферного давления увеличивается сила давления на коробочку. Коробочка сжимается и растягивает пружину, прикрепленную к ней. Пружина связана со стрелкой, которая перемещается по шкале в сторону больших значений давления.

Если давление снижается, сила давления на коробочку уменьшается, силы упругости распрямляют коробочку, и стрелка перемещается по шкале в противоположную сторону.

Шкалу анероида предварительно градуируют, т. е. наносят деления по показаниям ртутного барометра. Значения давления на шкале выражены в миллиметрах ртутного столба и в гектопаскалях (гПа).

Для измерения разности давления в сосуде и атмосферного давления служат манометры. Простейший манометр - жидкостный. Он представляет собой U-образную трубку с жидкостью. Одно колено трубки присоединяется к сосуду, давление в котором необходимо измерить. Другое колено открыто. Если уровень поверхности жидкости в колене, соединенном с сосудом, ниже, чем в открытом, значит, давление газа \(p_{1}\) в сосуде больше атмосферного \(p_{0}\) на величину давления столба жидкости высотой \(h\), т. е. \(p_{1} − p_{0} = gρh\).

А если давление газа в несколько раз больше атмосферного? Для измерения высоких давлений применяют металлический манометр. Его основным элементом является полая тонкостенная металлическая трубка, согнутая в дугу. Один конец трубки закрыт, другой присоединяется к сосуду с газом. Закрытый конец через зубчатый механизм соединен со стрелкой, движущейся относительно шкалы. Чем больше давление в трубке (а значит, в сосуде), тем больше распрямляется трубка и тем больше отклоняется стрелка. Нуль на шкале соответствует атмосферному давлению. Значит, если стрелка стоит на цифре «8», давление в сосуде в 9 раз больше атмосферного. Именно так устроен манометр для контроля давления в автомобильных шинах.

Жидкостными манометрами можно измерять давление, отличающееся от атмосферного лишь незначительно. Так, если давление в сосуде будет в 2 раза больше атмосферного, т. е. \(p_{1} = 2p_{0}\), то, согласно формуле \(p_{1} = p_{0} + gρh\), имеем: \[gρh = 2p_{0} - p_{0},\] откуда \[h = \frac{p_{0}}{gρ}.\]

При использовании в манометре воды \[h = \frac{100\:000\:Па}{10 \frac{Н}{кг} \cdot 1000 \frac{кг}{м^{3}}} = 10\:м.\]

Только представьте размеры такого прибора! При использовании ртути размеры уменьшаются в 13,6 раза, но возникают новые проблемы - пары ртути ядовиты.

Главные выводы:

  1. Атмосферное давление зависит от высоты местности и метеоусловий.
  2. Зависимость атмосферного давления от высоты и метеоусловий можно использовать для измерения высоты и для прогноза погоды.
  3. Атмосферное давление измеряют барометрами, а давление газов в сосудах - манометрами.

Читать далее