的大气压力是由构成地球上方的大气中的气体的重量引起的。据估计,大气质量约为5 x 10 18千克,所有生物都承受着该质量所施加的压力。
首先测量它的是意大利科学家Evangelista Torricelli(1608-1647)。他在1644年进行了一个简单但非常巧妙的实验:他将一端封闭的玻璃管完全装满了汞,将其倒置,然后倒入也装有汞的容器中。
图1.用于测量大气压力的无液气压计,与汞气压计不同,它不含液体。资料来源:维基共享资源。
托里切利(Torricelli)观察到该管并没有完全排空,而是充满了水银至76厘米的高度。感到惊讶的是,他用不同形状的管子做了许多测试,总是得到相同的结果。
这样,Torricelli意识到大气压会升高,并将汞柱保持在试管内的高度为760 mm。以这种方式确定了大气压的平均值。
由于压力定义为每单位面积的力,因此国际体系中的大气压力单位为牛顿/米或帕斯卡,缩写为Pa。因此,在此系统中,大气压力P atm的值为:
这是0ºC和海平面下的大气压力的正常值。
海平面大气压力及其他变化
理论上,大气压力的最大值仅在海平面上。尽管此级别上的变化很大,但是专家需要设置一些参考系统来帮助他们确定其价值。
以下是影响地球上某个地方的气压值的主要因素:
-海拔:每10米高,压力下降1 mm Hg。但是,也有可能构成大气层的气体密度不是恒定的。原则上,随着海拔的升高,空气密度降低。
图2.高度计,一种基于压力变化测量海拔高度的仪器。资料来源:
- 温度:显然,温度越高,密度下降,空气重量越轻,因此压力值下降。
- 纬度:赤道纬度的大气压力较低,因为地球不是一个完美的球体。赤道的海岸比两极距离地球中心更远,那里的空气密度也更低。
- 大陆性:它向大陆内部移动的越多,大气压力越高,而在沿海地区,压力越低。
气压随高度的变化
将一个地方的大气压力P与海拔高度z相关的高度方程具有以下形式:
在此,P o是初始高度或参考高度处的现有压力,通常在海平面获取,ρ 或在海平面获取的空气密度,g为重力加速度的值。在已解决的练习部分的稍后部分是逐步演绎。
大气压力如何测量?
大气压用气压计测量。最简单的就像是基于汞建造的Torricelli一样。试管的倾斜度或直径不会改变水银柱的高度,除非气候因素对此造成了影响。
例如,在低压区域形成云。因此,当晴雨表读数下降时,表明天气不好。
实际上,也可以使用其他液体代替汞,例如可以制造水压计。问题在于,色谱柱的尺寸为10.33 m,很难运输。
还有一些通过管或螺旋变形来机械测量压力的仪器:无液气压计和压力计。他们可以测量两点之间的压差,也可以以大气压为参考来测量压力。
压力单位
常压值用于定义新的压力单位:大气,缩写为atm。大气压为1个大气压;这样,其他压力就可以用大气压来表示,这对所有人来说都是非常熟悉的值:
下表显示了科学和工程中最常用于测量压力的单位,以及相应的帕斯卡单位:
单元 | 帕斯卡的当量 |
牛顿/米2 | 之一 |
自动取款机 | 101,355 |
毫米汞柱 | 133.3 |
磅/英寸2 | 6894.76 |
酒馆 | 1x 10 5 |
静液压,绝对压力和表压
大气压在静态平衡且通向大气的液体自由表面上起作用。但是,在液体的内部点,流体柱的重量当然会起作用。
色谱柱的重量取决于其高度和液体的密度,我们将假定其恒定,温度也一样。在这种情况下,压力P为:
这是密度恒定的流体内部任何一点的静水压力,与流体的深度z成正比。
关于静止流体中的绝对压力P abs,它定义为大气压力P atm和静水压力P之和:
最后,静止流体中的表压P man是绝对压力与大气压之间的差,在这种情况下,它等于测量静水压力:
例子
大气作用在身体上的力
可以估计大气施加在人体上的总力的大小。假设物体的表面积约为2 m 2,由于压力定义为每单位面积的力,我们可以求解和计算力:
为了进行此计算,我们将使用开始时确定的大气压正常值:
这个结果相当于大约20吨的力量,但是对于居住在地球表面的生物来说,这并不代表一个问题,就像海洋中的鱼一样,它们适应了这个问题。
虽然是相当大的力量。我们为什么不崩溃呢?
好吧,身体内部的压力等于外部的压力。我们不会崩溃,因为向内的力量被另一个向外的力量所平衡。但是有些人会受到海拔高度的影响,在爬上很高的山脉时会从鼻子流血。这是因为血压和大气压力之间的平衡受到干扰。
用吸管或吸管饮
大气压可以用吸管或吸管喝苏打水。苏美尔人和其他古代文化发现,他们可以用空心植物茎或芦苇作为稻草来喝啤酒。
后来,在19世纪末和20世纪初,在美国,各种型号的吸管都获得了专利,包括那些如今已被广泛使用的带有手风琴形弯头的吸管。
图3.大气压允许您用吸管straw饮。资料来源:
它们的工作方式是:当液体通过吸管吸收时,吸管中液体上方的压力会降低,从而导致下方的压力(该压力较高)将液体向上推动以便于饮用。
因此,在拔除或进行牙科手术后,不建议以这种方式饮液体,因为压力降低会导致伤口张开并开始出血。
练习题
-练习1
推导高度方程P(z):
-Po是参考水平(海平面)上的压力
-z是高度
-ρ ø是在海平面的流体的密度
-g是重力加速度的值
解
首先,令dp为压差,根据流体静力学的基本方程表示为:
负号考虑了压力随z增大而减小的事实。空气也被认为是理想的气体,因此压力和密度的关系如下:
立即替换该密度以获得:
现在,以这种方式书写压力假定大气被分为高度为dz的层,类似于一叠煎饼,每个层的压力为dp。通过这种方式,获得了一个微分方程,可以通过将变量p和z分开来求解:
然后将其整合到两边,这相当于增加每个层的压力贡献。在左侧的积分中,它由压力P 或初始压力至最终压力P构成。同样,右侧的积分从z o到z计算:
以下是使用指数求解P的方法:
最后,如果T和G两者都保持恒定,ρ Ô =(M / RT)p ø,则M / RT =ρ ö / P O,我们也可以使Ž ö = 0。把所有这一起:
-练习2
玻利维亚拉巴斯海拔3640 m处的气压值是多少?取海平面的平均空气密度为1,225 kg / m 3。
解
只需替换高等方程中给出的数值即可:
总之,它约为正常压力的66%。
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。
- 标准大气。从以下网址恢复:av8n.com
- 塞维利亚大学。大气压的变化。从以下位置恢复:laplace.us.es。
- 维基百科。催眠方程。摘自:es.wikipedia.org。
- 维基百科。气压。摘自:es.wikipedia.org。