ความกดอากาศและน้ำหนักอากาศ. สูตร การคำนวณ การทดลอง

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

จากแนวคิดของ "ความกดอากาศ" นั้น อากาศต้องมีน้ำหนัก มิฉะนั้น จะไม่สามารถกดทับสิ่งใดๆ ได้ แต่เราไม่ได้สังเกตสิ่งนี้ดูเหมือนกับเราว่าอากาศนั้นไร้น้ำหนัก ก่อนจะพูดถึงความกดอากาศ คุณต้องพิสูจน์ว่าอากาศมีน้ำหนัก คุณต้องชั่งน้ำหนักเสียก่อน ทำอย่างไร? เราจะพิจารณารายละเอียดน้ำหนักอากาศและความกดอากาศในบทความโดยศึกษาโดยใช้การทดลอง

ประสบการณ์

เราจะชั่งน้ำหนักอากาศในภาชนะแก้ว มันเข้าไปในภาชนะผ่านท่อยางที่คอ วาล์วปิดท่อเพื่อไม่ให้อากาศเข้าไป เราเอาอากาศออกจากเรือโดยใช้ปั๊มสุญญากาศ ที่น่าสนใจในขณะที่สูบน้ำไปเรื่อย ๆ เสียงของปั๊มก็เปลี่ยนไป ยิ่งมีอากาศเหลืออยู่ในขวดน้อยลง ปั๊มก็จะยิ่งทำงานเงียบขึ้น ยิ่งเราสูบลมออกไปนานเท่าไร ความดันในถังก็จะยิ่งต่ำลง

เมื่ออากาศหมดปิดก๊อกน้ำ บีบท่อเพื่อปิดกั้นการจ่ายอากาศ ชั่งน้ำหนักขวดโดยไม่ใช้อากาศ จากนั้นเปิดก๊อก อากาศจะเข้ามาพร้อมกับเสียงนกหวีดที่มีลักษณะเฉพาะ และน้ำหนักของมันจะถูกเพิ่มเข้าไปในน้ำหนักของขวด

วางภาชนะเปล่าโดยแตะยอดคงเหลือก่อน มีสูญญากาศอยู่ข้างใน มาชั่งน้ำหนักกัน เปิดก๊อก อากาศจะเข้าไปข้างในและชั่งน้ำหนักเนื้อหาของขวดอีกครั้ง ความแตกต่างระหว่างน้ำหนักของขวดที่เติมและขวดเปล่าจะเป็นมวลของอากาศ ง่ายๆ

น้ำหนักอากาศและความกดอากาศ

มาต่อกันที่ปัญหาต่อไป ในการคำนวณความหนาแน่นของอากาศ คุณต้องหารมวลด้วยปริมาตร ปริมาตรของขวดเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วเนื่องจากมีการทำเครื่องหมายที่ด้านข้างของขวด ρ=m_{air /V. ฉันต้องบอกว่าเพื่อให้ได้สิ่งที่เรียกว่าสูญญากาศสูงนั่นคือคุณต้องใช้เวลามากในการไม่มีอากาศในเรือ ถ้าขวดขนาด 1.2L ก็ประมาณครึ่งชั่วโมง}

เราพบว่าอากาศมีมวล โลกดึงมัน ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงกระทำต่อมัน อากาศกดลงบนพื้นด้วยแรงเท่ากับน้ำหนักของอากาศ ความดันบรรยากาศจึงมีอยู่ ปรากฏให้เห็นในการทดลองต่างๆ มาทำอย่างใดอย่างหนึ่งกันเถอะ

ทดลองหลอดฉีดยา

ใช้หลอดฉีดยาเปล่าที่มีหลอดยืดหยุ่นติดอยู่ ลดลูกสูบของกระบอกฉีดยาและจุ่มท่อลงในภาชนะที่มีน้ำ ดึงลูกสูบขึ้นและน้ำจะเริ่มไหลผ่านท่อเติมกระบอกฉีดยา ทำไมน้ำซึ่งถูกแรงโน้มถ่วงดึงลงมายังคงลอยอยู่หลังลูกสูบ

ในเรือมันได้รับผลกระทบจากบนลงล่างความกดอากาศ. แสดงว่า P_{atm ตามกฎของปาสคาล ความดันที่กระทำโดยบรรยากาศบนพื้นผิวของของเหลวจะถูกส่งต่อไม่เปลี่ยนแปลง มันกระจายไปยังทุกจุด ซึ่งหมายความว่ายังมีความดันบรรยากาศภายในท่อ และมีสุญญากาศ (ช่องว่างสุญญากาศ) ในหลอดฉีดยาเหนือชั้นน้ำ นั่นคือ P \u003d 0 ดังนั้นปรากฎว่าความดันบรรยากาศกดลงบนน้ำจากด้านล่าง แต่ไม่มีแรงดันเหนือลูกสูบเพราะมีความว่างเปล่าอยู่ที่นั่น เนื่องจากความแตกต่างของแรงดัน น้ำจึงเข้าสู่กระบอกฉีดยา}

ทดลองกับปรอท

น้ำหนักอากาศและความกดอากาศ - ขนาดไหน? บางทีมันอาจจะเป็นสิ่งที่ละเลยไม่ได้? ท้ายที่สุดเหล็กหนึ่งลูกบาศก์เมตรมีมวล 7600 กิโลกรัมและอากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตร - เพียง 1.3 กิโลกรัม เพื่อให้เข้าใจ มาแก้ไขการทดลองที่เราเพิ่งทำไป แทนที่จะใช้หลอดฉีดยา ให้ใช้ขวดที่ปิดด้วยจุกไม้ก๊อกพร้อมหลอด ต่อท่อเข้ากับปั๊มและเริ่มสูบลม

ไม่เหมือนครั้งก่อน เราสร้างสุญญากาศไม่ได้อยู่ใต้ลูกสูบ แต่สร้างปริมาตรทั้งหมดของขวด ปิดปั๊มและในขณะเดียวกันก็ลดท่อของขวดลงในภาชนะที่มีน้ำ เราจะดูว่าน้ำเติมขวดผ่านท่อในเวลาเพียงไม่กี่วินาทีด้วยเสียงลักษณะเฉพาะ ความเร็วสูงที่เธอ "ระเบิด" ลงในขวดแสดงว่าความดันบรรยากาศมีค่าค่อนข้างมาก ประสบการณ์พิสูจน์

วัดความกดอากาศเป็นครั้งแรก น้ำหนักของนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี Torricelli เขามีประสบการณ์ดังกล่าว ฉันเอาหลอดแก้วยาวกว่า 1 ม. เล็กน้อยปิดผนึกที่ปลายด้านหนึ่ง เติมปรอทจนล้น หลังจากจากนั้นเขาก็หยิบภาชนะที่มีสารปรอท ใช้นิ้วบีบปลายที่เปิดอยู่ พลิกหลอดแล้วจุ่มลงในภาชนะ หากไม่มีความดันบรรยากาศปรอททั้งหมดก็จะไหลออกมา แต่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้น ไหลออกมาบางส่วน ระดับปรอทอยู่ที่ความสูง 760 mm.

เกิดขึ้นเพราะบรรยากาศกดทับปรอทในภาชนะ ด้วยเหตุนี้ในการทดลองครั้งก่อนของเรา น้ำจึงถูกขับเข้าไปในท่อ ซึ่งเป็นสาเหตุที่น้ำไหลตามหลอดฉีดยา แต่ในการทดลองทั้งสองนี้ เราใช้น้ำซึ่งมีความหนาแน่นต่ำ ดาวพุธมีความหนาแน่นสูง ดังนั้นความกดอากาศจึงสามารถยกปรอทขึ้นได้ แต่ไม่ถึงจุดสูงสุด แต่เพิ่มขึ้นเพียง 760 มม.

ตามกฎของปาสกาล ความดันที่กระทำกับปรอทจะถูกส่งไปยังจุดทั้งหมดที่ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งหมายความว่ายังมีความดันบรรยากาศภายในท่อ แต่ในทางกลับกัน ความดันนี้จะสมดุลโดยความดันของคอลัมน์ของเหลว ให้แทนความสูงของคอลัมน์ปรอทเป็น h เราสามารถพูดได้ว่าความดันบรรยากาศกระทำจากล่างขึ้นบน และความดันอุทกสถิตกระทำจากบนลงล่าง ส่วนที่เหลือ 240 มม. ว่างเปล่า อย่างไรก็ตาม สุญญากาศนี้เรียกอีกอย่างว่า Torricelli void

สูตรและการคำนวณ

ความดันบรรยากาศ P_atm เท่ากับความดันไฮโดรสแตติกและคำนวณโดยสูตร ρ_ptgh ρ_rt=13600 kg/m³. ก.=9.8 นิวตัน/กก. ชั่วโมง=0.76 ม. P_{atm=101.3 kPa. ซึ่งเป็นจำนวนที่ค่อนข้างมาก แผ่นกระดาษที่วางอยู่บนโต๊ะสร้างแรงดัน 1 Pa และความดันบรรยากาศคือ 100,000 ปาสกาล ปรากฎว่าต้องใส่กระดาษจำนวน 100,000 แผ่นวางทับกันเพื่อสร้างแรงดันดังกล่าว อยากรู้อยากเห็นไม่ได้หรือไม่ ความดันบรรยากาศและน้ำหนักอากาศสูงมาก น้ำจึงถูกผลักเข้าไปในขวดด้วยแรงดังกล่าวระหว่างการทดลอง}