Атмосферний тиск

Атмосферний тиск

Наукова назва газової оболонки Землі - атмосфера, що в перекладі з грецької мови означає "сфера випарів". Дійсно, до складу повітря входить пара води, але її частка незначна і зрідка досягає 3 %. До складу атмосфери входить азот (78,1 %), кисень (21 %), аргон (0,9 %), вміст інших газів (вуглекислого газу, неону, гелію, криптону, ксенону, водню, озону) незначний. Молекули цих газів, знаходячись у полі тяжіння Землі, притягуються до неї. Унаслідок цього шари повітря, розміщені вище, тиснуть на нижчі шари і в кінцевому підсумку чинять тискна поверхню Землі і на всі тіла, що знаходяться на ній. Цей тиск називаютьатмосферним.

Хоча факт існування повітря був усвідомлений дуже давно, припущення про наявність у нього ваги і якоїсь сили дії висловив Г. Галілей незадовго до смерті. А 1634 року його учень, італійський учений Торрічеллі, вперше експериментально визначив значення атмосферного тиску. Для цього він взяв скляну трубку завдовжки близько 1 м, один кінець якої запаяно, заповнив її ртуттю і, закривши отвір другого кінця, перевернув та занурив трубку у посудину із ртуттю (рис. 2.4.13). Потім отвір було відкрито, частина ртуті із трубки вилилась в посудину, а в трубці залишився стовп ртуті висотою h (над ним у трубці утворюється безповітряний простір, заповнений парами ртуті). Ця висота ртутного стовпа зберігається і у похилому положенні трубки (показано штрихом).

Дослід Торрічеллі свідчить, що тиск стовпа ртуті висотою h зрівноважуєтиск атмосфери. Подальші спостереження показали, що висота стовпа ртуті в трубці (і, отже, значення атмосферного тиску) залежить від погодних умов і від висоти місцевості. На цьому досліді ґрунтується принцип дії точного приладу для вимірювання атмосферного тиску - ртутного барометра (рис. 2.4.14). 

Атмосферний тиск, що зрівноважується при температурі 0 °С стовпом ртуті висотою h = 760 мм, вважається нормальним. Значення цього тиску називають нормальною, чи фізичною, атмосферою і позначають 1 атм.

Використовуючи формулу гідростатичного тиску p = rgh і знаючи, що густина ртуті r = 13595,1 кг/м3, знаходимо, що 1 атм - 760 мм рт.ст. = 760 тор = 13595,1 кг/м3 × 9,80665 м/с2 · 0,76 м = 101325 Н/м2 = 1,013·105 Па.

Одиницю "міліметр ртутного стовпа" на честь Е. Торрічеллі назвали тором (тор).

Атмосферний тиск зменшується зі збільшенням висоти підняття над Землею. Однак на відміну від тиску в рідинах зміна атмосферного тиску відбувається не пропорційно зміні висоти стовпа, а набагато швидше (за експоненціальним законом). Причиною цього є значно більша стисливість газів порівняно з рідинами. Існує так звана барометрична формула, що виражає залежність тиску повітря від висоти над поверхнею Землі. Наприклад, на висоті 5 км тиск становить 53 % нормального, під час кожного вдиху людина отримує там лише половину того кисню, який отримує житель приморських рівнин.

Вимірювання показують, що атмосферний тиск залежить і від вмісту в повітрі водяної пари. Зі зростанням вологості тиск атмосфери зменшується. Якщо ж показання барометра зменшуються, то це означає, що зростає кількість пари і наближається негода з дощами і тривалими вітрами.

Ртутний барометр не втратив свого значення і дотепер, але застосовується здебільшого у фізичних лабораторіях з такою зміною конструкції Е. Торрічеллі, щоб зменшити поверхню випаровування ртуті (бо пара ртуті отруйна). Ртутний сифонний барометр зображено на рис. 2.4.14. Він складається з заповненої ртуттю U-подібної скляної трубки, один кінець якої запаяний, а на другому знаходиться відкритий резервуар із ртуттю.

Барометр має шкалу з міліметровими поділками. Атмосферний тиск (у мм рт.ст.) вимірюють безпосередньо за шкалою приладу. Він дорівнює висоті стовпа ртуті між її рівнями в закритому і відкритому колінах барометра.

Важлива перевага рідинних (ртутних) барометрів - велика точність їх показань. Але ці прилади громіздкі, тендітні, а тому придатні для використання тільки в стаціонарних (лабораторних) умовах. Зазвичай на практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують металеві барометри-анероїди.

Спрощену схему барометра-анероїда зображено на рис.2.4.15. Його основу становить циліндрична камера К, з якої відкачують повітря. Камера герметично закрита тонкою гофрованою (тобто хвилястою) кришкою - мембраною М. Щоб атмосферний тиск не сплющив мембрану, її за допомогою тяги Т з'єднано з пружиною П, закріпленою на корпусі приладу. До пружини шарнірно прикріплено нижній кінець стрілки С, що може обертатися навколо осі О. Кінець стрілки переміщається по шкалі. 

Якщо атмосферний тиск змінюється, мембрана прогинається усередину чи назовні і переміщує стрілку по шкалі, показуючи значення атмосферного тиску (шкалу барометра-анероїда градуюють і перевіряють за показаннями ртутного барометра).

Анероїди дуже зручні в роботі, міцні, малогабаритні, але менш точні, ніж рідинні барометри.

Оскільки значення атмосферного тиску залежить від висоти над поверхнею Землі, то шкалу барометра-анероїда можна проградуювати у метрах відповідно до розподілу тиску за висотою. Анероїд, що має шкалу, за якою можна визначити висоту підняття над Землею, називають альтиметром (висотоміром). Альтиметри широко використовують в авіації, парашутному спорті, альпінізмі тощо.

Складніші прилади барографи дають змогу діставати на паперовій стрічці графік залежності тиску повітря від часу, а також дані у вигляді електричних сигналів з подальшою їх обробкою на ЕОМ, передавати у разі потреби на велику відстань від автоматичних метеостанцій.