该实验托里切利通过物理和意大利数学家托里切利在1644年进行的,并导致在大气压力的所述第一测量值。
该实验源于改善城市供水的需求。Evangelista Torricelli(1608-1647)是托斯卡纳·费迪南德二世大公的宫廷数学家,曾与伽利略一起研究过水力现象。
图1. Torricelli的实验,其中汞柱由于大气压而上升760 mm。资料来源:F. Zapata。
本实验
1644年,Torricelli进行了以下实验:
-他将汞引入长1 m的管中,该管的一端打开,另一端关闭。
-当试管完全充满时,他将试管倒置并将其倒入也装有汞的容器中。
-Torricelli观察到该柱下降并停在约76 cm高处。
-他还注意到,虽然不是完美的,但在自由的空间中已经产生了真空。
Torricelli使用不同的试管重复了该实验。他甚至做了些许改动:他向水桶里加了水,水更轻了,漂浮在水银上。然后,他将装有汞的试管缓慢升至水面。
然后汞下降,水上升。正如我们已经说过的那样,获得的真空不是完美的,因为总会残留汞蒸气或水。
大气压力的测量
大气是氮气和氧气占主导地位的混合气体,还有微量的其他气体,例如氩气,二氧化碳,氢气,甲烷,一氧化碳,水蒸气和臭氧。
地球施加的引力吸引力使整个行星保持着周围。
当然,组成是不均匀的,密度也不是均匀的,因为它取决于温度。在地表附近,有大量的灰尘,沙子和自然事件以及人类活动产生的污染物。较重的分子更靠近地面。
由于存在很大的可变性,因此有必要为大气压力选择参考高度,为方便起见将其视为海平面。
在这里,不仅有任何海平面,因为这还会引起波动。借助专家之间共同同意而确定的一些大地参考系来选择水平或基准。
地面附近的大气压值多少钱?Torricelli在测量色谱柱高度时发现了它的价值:760毫米汞柱。
托里切利气压计
在管的顶部,压力为0,因为已在此处建立真空。同时,在汞缸的表面上,压力P 1为大气压。
让我们在试管顶部的汞自由表面上选择参考系的起点。从那里到容器中汞的表面,测量H(柱的高度)。
图2. Torricelli气压计。资料来源:工程师通用物理学。莱 USACH。
在深度y 1处用红色标记的点的压力为:
其中ρ 汞是汞的密度。由于y 1 = H且Po = 0:
由于汞的密度是恒定的和重力是恒定的,事实证明,水银柱的高度成正比至P 1 ,这是大气压力。替换已知值:
国际体系中的压力单位为帕斯卡,缩写为Pa。根据Torricelli的实验,大气压为101.3 kPa。
大气压力对气候的重要性
托里切利(Torricelli)观察到管中的汞含量每天都会发生轻微变化,因此他推断大气压也必须发生变化。
大气压是造成气候变化的主要因素,但其日常变化却很少引起注意。例如,这是因为它们不像风暴或寒冷那样引人注目。
但是,这些大气压的变化是造成风的原因,而风又影响降雨,温度和相对湿度。当地面变热时,空气膨胀并趋于上升,导致压力下降。
只要晴雨表显示高压,就可以预料天气晴朗,而低压则可能出现暴风雨。但是,要进行准确的天气预报,您需要有关其他因素的更多信息。
他
尽管听起来有些奇怪,但是由于压力是指单位面积的压力,因此在气象学中,按照Torricelli的说法,以毫米汞柱表示大气压是有效的。
这是因为自那时以来,汞气压计一直沿用至今,因此几乎没有变化,因此为了纪念Torricelli,760毫米汞柱等于1托。换一种说法:
如果Torricelli使用水代替汞,则色谱柱的高度将为10.3 m。水银气压计更实用,因为它更紧凑。
广泛使用的其他单位是酒吧和毫巴。1毫巴等于1百帕斯卡或10 2帕斯卡。
高度计
高度计是一种仪器,用于指示某个地点的高度,并将该高度的气压与地面或其他参考地点的气压进行比较。
如果高度不是很大,原则上我们可以假定空气密度保持恒定。但这是一个近似值,因为我们知道大气的密度确实会随着高度的增加而降低。
使用上面使用的公式,使用的是空气的密度,而不是汞的密度:
在此表达式中,P o被视为地面上的大气压,而P1是要确定其高度的地方的大气压:
高度方程表明压力随高度呈指数下降:对于H = 0,P 1 = P 或如果H→∞,则P 1 = 0。
参考文献
- Figueroa,D.,2005年。系列:科学与工程物理。第5卷。流体与热力学。由Douglas Figueroa(USB)编辑。
- 柯克·帕特里克(Kirkpatrick,L。),2007年。《物理学:世界观》。第六版。圣智学习。
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- I. Strangeways,2003年。《测量自然环境》。2号 版。剑桥大学出版社。