Атмосферное давление и вес воздуха. Формула, расчеты, эксперименты

Из самого понятия "атмосферное давление" следует, что воздух должен иметь вес, иначе он не мог бы ни на что давить. Но мы этого не замечаем, нам кажется, что воздух невесом. Прежде чем говорить об атмосферном давлении, нужно доказать, что у воздуха есть вес, нужно его как-то взвесить. Как это сделать? Вес воздуха и атмосферное давление мы подробно рассмотрим в статье, изучая их при помощи экспериментов.

Опыт

Мы будем взвешивать воздух, находящийся в стеклянном сосуде. Он поступает в емкость через резиновую трубку в горлышке. Кран закрывает шланг так, что в него не поступает воздух. Удаляем воздух из сосуда с помощью вакуумного насоса. Интересно, что по мере откачивания звук насоса меняется. Чем меньший объем воздуха остается в колбе, тем тише работает насос. Чем дольше мы откачиваем воздух, тем более низким становится давление в сосуде.

Когда весь воздух удален, закрываем кран, пережимаем шланг, чтобы перекрыть доступ воздуха. Взвесим колбу без воздуха, потом откроем кран. Воздух зайдет внутрь с характерным свистом, и его вес добавится к весу колбы.

Сначала поместим пустой сосуд с закрытым краном на весы. Внутри емкости — вакуум, взвесим ее. Откроем кран, воздух зайдет внутрь, и снова взвесим содержимое колбы. Разница веса наполненной и пустой колбы и будет являться массой воздуха. Все просто.

Вес воздуха и атмосферное давление

Теперь перейдем к решению следующей задачи. Чтобы вычислить плотность воздуха, нужно его массу разделить на объем. Объем колбы известен, потому что он указан на ее стенке. ρ=m_возд /V. Надо сказать, что для получения так называемого высокого вакуума, то есть полного отсутствия воздуха в сосуде, нужно достаточно много времени. Если колба объемом 1,2 л, это примерно полчаса.

Мы выяснили, что воздух обладает массой. Земля его притягивает, а поэтому на него действует сила тяжести. Воздух давит на землю с силой, равной весу воздуха. Атмосферное давление, следовательно, существует. Оно проявляет себя в различных экспериментах. Проведем один из таких.

Эксперимент со шприцами

Возьмем пустой шприц, к которому присоединена гибкая трубка. Опустим поршень шприца и погрузим шланг в емкость с водой. Потянем поршень вверх, и вода начнет подниматься по трубке, наполняя шприц. Почему же вода, которую сила тяжести тянет вниз, все-таки поднимается за поршнем вверх?

В сосуде на нее сверху вниз действует атмосферное давление. Обозначим его P_атм. По закону Паскаля давление, которое производит атмосфера на поверхность жидкости, передается без изменений. Оно распространяется во все точки, значит внутри трубки тоже атмосферное давление, а в шприце над слоем воды находится вакуум (безвоздушное пространство), т. е. Р=0. Вот и получается, что снизу на воду давит атмосферное давление, а над поршнем давления нет, потому что там пустота. Из-за разности давлений вода заходит в шприц.

Опыт со ртутью

Вес воздуха и атмосферное давление — насколько они велики? Может, это что-то, чем можно пренебречь? Ведь один кубический метр железа имеет массу 7600 кг, а один кубический метр воздуха — всего 1,3 кг. Чтобы разобраться, видоизменим только что проведенный эксперимент. Вместо шприца возьмем бутылку, закрытую пробкой с трубкой. Присоединим трубку к насосу и начнем откачивать воздух.

В отличие от предыдущего опыта, мы создаем вакуум не под поршнем, а во всем объеме бутылки. Выключим насос и одновременно опустим трубку бутылки в емкость с водой. Мы увидим, как вода буквально за несколько секунд с характерным звуком заполнила через трубку бутылку. Высокая скорость, с которой она «врывалась» в бутылку, говорит о том, что атмосферное давление — это довольно большая величина. Опыт это доказывает.

Впервые измерил атмосферное давление, вес воздуха итальянский ученый Торричелли. Он провел такой опыт. Взял стеклянную трубку длиной чуть больше 1 м, запаянную с одного конца. Заполнил ее ртутью до краев. После этого он взял сосуд со ртутью, зажал пальцем его открытый конец, перевернул трубку и погрузил ее в емкость. Если бы атмосферного давления не было, то ртуть бы вся вылилась, но этого не произошло. Она вылилась частично, уровень ртути установился на высоте 760 мм.

Так случилось, потому что атмосфера давила на ртуть в емкости. Именно по этой причине у нас в предыдущих опытах вода загонялась в трубку, именно поэтому за шприцем шла вода. Но в этих двух экспериментах мы брали воду, плотность которой невелика. Ртуть имеет большую плотность, поэтому атмосферное давление смогло поднять ртуть, но не до самого верха, а только на 760 мм.

По закону Паскаля, давление, производимое на ртуть, передается во все ее точки в неизменном виде. Значит, внутри трубки тоже атмосферное давление. Но с другой стороны, это давление уравновешивается давлением столба жидкости. Обозначим высоту ртутного столба h. Мы можем сказать, что снизу вверх на ртуть действует атмосферное давление, а сверху вниз действует гидростатическое давление. В оставшихся незаполненными 240 мм находится вакуум. Кстати, этот вакуум еще называют торричеллиева пустота.

Формула и расчеты

Атмосферное давление P_атм равно гидростатическому и вычисляется по формуле ρ_рт*g*h . ρ_рт=13600 кг/м³. g=9,8 Н/кг. h=0,76 м. P_атм=101,3 КПа. Это довольно большая величина. Лист бумаги, лежащий на столе, производит давление в 1 Па, а атмосферное давление — 100 тыс. паскалей. Получается, что нужно положить один на другой 100 тыс. листов бумаги, чтобы они производили такое давление. Любопытно, не правда ли? Атмосферное давление и вес воздуха весьма большие, поэтому с такой силой заталкивали воду внутрь бутылки в ходе опыта.