webdonsk.ruКто первый измерил атмосферное давление и как он это сделал
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 10.09.2024
В предыдущих уроках мы рассчитывали давление жидкости на дно и стенки сосуда по формуле $p=\rho gh$. Получится ли по этой формуле рассчитать атмосферное давление?
Для этого нам нужно будет знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Но определенной границы у атмосферы нет, а плотность воздуха меняется в зависимости от высоты: в нижних слоях атмосферы она больше, чем в верхних.
В данном уроке мы рассмотрим опыт, который позволяет рассчитать величину атмосферного давления.
Опыт Торричелли
В XVII веке во Флоренции герцог Тосканский готовился к балу в своем замке и приготовил для своих гостей необычный сюрприз: фонтан, струи которого должны были зрелищно окружить террасу своими струями. Однако, несмотря на работу ручных насосов, вода поднималась только на высоту около 10 метров. Недоумевающие строители обратились за помощью к Галилею, который предложил разобраться в этом своему ученику Торричелли.
Рассмотрим известнейший опыт Торричелли. На рисунке 2 представлена стеклянная трубка длиной 1 м, один конец которой запаян. Трубку наполняют ртутью. Затем, плотно закрыв открытый конец, ее переворачивают, опускают в чашу с ртутью и под ртутью открывают конец трубки.
Рисунок 2. Опыт Торричелли.
Мы видим, что часть ртути при этом выливается в чашу, а другая ее часть остается в трубке. Высота столба ртути, оставшейся в трубке, равна примерно 760 мм. Заметим, что в трубке над ртутью воздуха нет, там безвоздушное пространство.
Теперь давайте рассмотрим объяснение данного опыта. Поверхность ртути в чаше испытывает атмосферное давление. Ртуть в чаше находится в равновесии, то есть давление в трубке на уровне $аа_1$(рисунок 3) равно атмосферному давлению $p_$. Если бы это было не так, и давление в трубке было бы больше атмосферного, то ртуть выливалась бы в чашу, а если меньше, то ртуть поднималась бы в трубке вверх.
Рисунок 3. Дополнительная иллюстрация опыта Торричелли.
Так как в верхней части трубки воздуха нет, то давление создается только весом столбы ртути. Из этого следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке, т.е.:
Соответственно, чтобы посчитать величину атмосферного давления, достаточно измерить высоту столба ртути. Из формулы $p=\rho gh$ мы видим, что величина атмосферного давления будет прямо пропорциональна высоте столба ртути в трубке: при уменьшении атмосферного давления мы увидим, что столб ртути понизился, а при увеличении атмосферного давления столб ртути в опыте Торричелли станет выше.
Поэтому на практике атмосферное давление часто измеряется высотой ртутного столба. Если, например, атмосферное давление 770 мм рт. ст., то это значит, что воздух производит такое же давление, что и вертикальный столб ртути высотой 770 мм. Каждый из вас слышал прогноз погоды от гидрометцентра. В сводках погоды атмосферное давление также передают в мм рт. ст.. А в каких единицах мы обычно рассчитываем давление на занятиях, решая задачи? Давайте найдем соотношения между этими единицами и выясним, чему равен 1 мм рт. ст. в паскалях (Па).
Давление столба ртути pртути высотой 1 мм равно:
$p=13600\frac \cdot 9,8\frac \cdot 0,001м?133,3 Па$
Итак, 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.
Среднее значение атмосферного давления равно 760 мм рт. ст., выразим это значение в паскалях и в гектопаскалях (также довольно широко используемая величина измерения):
760 мм рт. ст.?101 300 Па?1013 гПа.
Если к трубке с ртутью, использовавшейся в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную шкалу, то получится простой прибор – ртутный барометр, служащий для измерения атмосферного давления (рисунок 4).
Рисунок 4. Простейший ртутный барометр.
После ежедневного наблюдения за высотой столба ртути в трубке, Торричелли сделал вывод, что периодически атмосферное давление меняется, и его изменения связаны с погодными условиями.
Другие опыты
В конце 1646 года семья Паскалей жила во французском городе Руане. Блез Паскаль повторил известный опыт, экспериментируя не только с ртутью, как Торричелли, но и с водой, маслом, красным вином. Интересно, что эти опыты он проводил на улицах Руана, собирая толпы любопытных граждан. Неудивительно, ведь вместо чаши и трубки длиной 1 метр ему понадобились бочки и трубки длиной более 15 метров.
Интересный эксперимент был проведён 19 сентября 1648 года. Блез Паскаль и его зять Флорен Перье проделали опыт, доказавший существование атмосферного давления. При помощи стеклянной трубки и чаши с ртутью предстояло измерить, на какую высоту поднимается в ней ртуть у подножия и на вершине горы Пюи-де-Дом высотой 1647 метров в Клермоне. На вершине столбик ртути остановился на более низкой отметке, так как там земная атмосфера была на 1647 метров меньше. Разница уровней ртути составила почти 8 см (рисунок 6).
Рисунок 6. Опыт Блеза Паскаля и Флорена Перье на горе Пюи-де-Дом.
Интересный факт: самый большой водяной барометр высотой более 12,5 метров был сконструирован в 1985 году Бертом Болле, хранителем музея барометров в Маартенсдейке (Нидерланды), где он и был установлен вплоть до закрытия музея (рисунок 7).
Рисунок 7. Водяной барометр в центральном зале музея барометров, 1995 год.
Эксперимент XVII века. Две металлические полусферы, между которыми откачали воздух, не смогли разделить две восьмёрки лошадей, которые одновременно тянули их в разные стороны.
Атмосферное давление — давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Нормальным атмосферным давлением называют давление на уровне моря при температуре 15 °C. Оно равно 760 мм рт.ст. (Международная стандартная атмосфера — МСА, 101 325 Па ).
Содержание
История
Наличие атмосферного давления привело людей в замешательство в 1638 году, когда не удалась затея герцога Тосканского украсить сады Флоренции фонтанами — вода не поднималась выше 10,3 метров. Поиски причин этого и опыты с более тяжелым веществом — ртутью, предпринятые Эванджелистой Торричелли привели к тому, что в 1643 он доказал, что воздух имеет вес [1] . Совместно с В. Вивиани, Торричелли провёл первый опыт по измерению атмосферного давления, изобретя трубку Торричелли (первый ртутный барометр) — стеклянную трубку, в которой нет воздуха. В такой трубке ртуть поднимается на высоту около 760 мм [2] .
Изменчивость и влияние на погоду
На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления (антициклонов) и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей (циклонов), в которых господствует пониженное давление. Отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641 — 816 мм рт. ст. [3] (внутри смерча давление падает и может достигать значения 560 мм ртутного столба) [4] .
Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы. Зависимость давления от высоты описывается т. н. барометрической формулой.
На картах давление показывается с помощью изобар — изолиний, соединяющих точки с одинаковым приземным атмосферным давлением, обязательно приведенным к уровню моря.
Атмосферное давление — очень изменчивый метеоэлемент. Из его определения следует, что оно зависит от высоты соответствующего столба воздуха, его плотности, от ускорения силы тяжести, которая меняется от широты места и высоты над уровнем моря.
| 1 гПа = 0,75 мм рт. ст. Или 1 мм рт. ст. = 1,333 гПа (133,322 Па). |
Стандартное давление
В химии стандартным атмосферным давлением с 1982 года по рекомендации IUPAC считается давление ровно 100 кПа [5] . атмосферное давление является одной из наиболее существенных характеристик состояния атмосферы. В покоящейся атмосфере давление в любой точке равно весу вышележащего столба воздуха с единичным сечением.
В системе СГС 760 мм рт. ст. эквивалентно 1013,25 мб. Основной единицей давления в системе СИ, служит паскаль [Па]; 1 Па= 1 Н/м 2 . В системе СИ давление 1013,25 мб эквивалентно 101325 Па или 101.3 кПа или 0,1 МПа
Уравнение статики выражает закон изменения давления с высотой: -?p=gr?z, где: p — давление, g — ускорение свободного падения, r — плотность воздуха, ?z — толщина слоя. Из основного уравнения статики следует, что при увеличении высоты (?z>0) изменение давления отрицательное, то есть давление уменьшается. Основное уравнение статики применимо только для очень тонкого (бесконечно тонкого) слоя воздуха ?z.
Барическая ступень
Высота, на которую надо подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 гПа (гектопаскаль), называется барической (барометрической) ступенью. Барической ступенью удобно пользоваться при решении задач, не требующих высокой точности, например для оценки давления по известной разности высот. Из основного закона статики барическая ступень (h) равна: h=-?z/?p=1/gr [м/гПа]. При температуре воздуха 0 °C и давлении 1000 гПа, барическая ступень равна 8 м/гПа. Следовательно, чтобы давление уменьшилось на 1 гПа нужно подняться на 8 метров.
С ростом температуры и увеличением высоты над уровнем моря она возрастает (в частности, на 0,4 % на каждый градус нагревания), то есть она прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна давлению. Величина, обратная барической ступени, — вертикальный барический градиент, то есть изменение давления при поднятии или опускании на 100 метров. При температуре 0 °C и давлении 1000 гПа он равен 12,5 гПа.
Приведение к уровню моря
Приведение давления к уровню моря производится на всех метеостанциях, посылающих синоптические телеграммы. Чтобы давление было сравнимо на станциях, расположенных на разных высотах, на синоптические карты наносится давление, приведённое к единой эталонной отметке — уровню моря. При приведении давления к уровню моря используют сокращенную формулу Лапласа: z2-z1=18400(1+lt)lg(p1/p2). То есть, зная давление и температуру на уровне z2 можно найти давление (p1) на уровне моря (z1=0).
Вычисление давления на высоте h по давлению на уровне моря Po и температуре воздуха T:
где Po — давление Па на уровне моря [Па]; M — молярная масса сухого воздуха 0,029 [кг/моль]; g — ускорение свободного падения 9,81 [м/с?]; R- универсальная газовая постоянная 8,31 [Дж/моль К]; T — абсолютная температура воздуха [К], T = t + 273, где t — температура в °C; h — высота [м].
На небольших высотах каждые 12 м подъёма уменьшают атмосферное давление на 1 мм рт.ст. На больших высотах эта закономерность нарушается [1] .
Давление – одна из важных характеристик атмосферы. Резкие перепады давления влияют на здоровье людей. Атмосферное давление зависит от температуры воздуха и высоты местности над уровнем моря.
Ветер – это горизонтальное движение воздуха в приземном слое, направленное из области высокого давления в область низкого давления. Ветер возникает из-за разности в атмосферном давлении на разных участках поверхности Земли. Чем больше разница в атмосферном давлении над разными участками поверхности, тем сильнее ветер. Ветер имеет две главные характеристики: скорость и направление. Направление ветра определяют по той стороне горизонта, откуда дует ветер.
Измерение атмосферного давления и ветра
Как впервые измерили атмосферное давление?
Атмосферное давление впервые было измерено итальянским учёным Эванджелиста Торричелли в 1644 году. Прибор представляет собой U-образную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца и заполненную ртутью. Давление создавалось весом столбика ртути, так как в верхней части трубки воздуха нет. Атмосферное давление равно давлению столбика ртути в трубке и высота этого столбика зависит от атмосферного давления окружающего воздуха: чем больше атмосферное давление, тем выше столбик ртути в трубке и, следовательно, высота этого столбика может быть использована для измерения атмосферного давления. Наблюдая день за днём за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется, причём изменения атмосферного давления как-то связаны с изменением погоды. Прикрепив рядом с трубкой вертикальную шкалу Торричелли получил простой прибор для измерения атмосферного давления – барометр. В дальнейшем давление измерялось безжидкостным прибором – барометром-анероидом, в котором не используется ртуть, а давление измеряется с помощью металлической пружинки.
Ищем определение в словаре: барометр — это прибор для измерения атмосферного давления. Его название сформировалось из двух греческих слов: “барос” — “тяжесть” и “метрео” — “измеряю”. Сейчас он начастый гость в домах простых обывателей, и присутствует в основном на метеорологических станциях, а в XIX веке его легко можно было встретить в обычном доме, вне зависимости от того, связан его владелец с физикой, или гуманитарий от Бога.
Еще со времен Аристотеля в ученом мире не утихали споры о том, существует ли вообще такое состояние, как вакуум. Попытки это доказать и привели к появлению первых прототипов устройства, которое через множество модификаций и лет стали называть барометром. Именно этот прибор доказывает, точнее, подтверждает существование вакуума. В свое время он произвел настоящий фурор в мире физики.
Всем знакома фраза Аристотеля о том, что природа не терпит пустоты. Она относится и к вакууму в том числе, так как по мнению Аристотеля пустое пространство просто не могло существовать в природе, и его обязательно заполнит какая-нибудь материя. Только через несколько тысячелетий в горячих спорах изобретателям удалось оспорить слова античного ученого. Даже не удалось — им пришлось это сделать.
Первым звонком стал случай в шахте: в XVII веке Галилео Галилей получил письмо от владельца шахты. Тот рассказывал, что вода, которую откачивали из шахты насосом, поднималась только на высоту 10,3 м, и не более. Заинтересовавшись, Галилей собрал своих учеников и направил все силы на изучение феномена.
Основное предположение Галилея строилось на том, что сначала из шахты выкачивается воздух, а уже потом — вода. Когда воздух заканчивался, на его месте оставалась пустота и вода стремилась ее заполнить. Но силы, способствующей этому заполнению, хватало только на определенную высоту, поэтому вода и останавливалась на отметке в 10,3 м. Примечательно, что сам Галилей не верил в существование вакуума, поэтому поручил исследование своим последователям.
Среди учеников Галилея был Гаспаро Берти. Ему принадлежит опыт со стеклянной трубкой, которую он наполнил водой, запечатал с обеих сторон и один из запечатанных концов установил в емкость с водой. Оставив верхнюю печать на месте, Берти удалил ту, что находилась под водой. Жидкость из трубки почти полностью вылилась в резервуар, но остановилась на той же отметке, что и в шахте — 10,3 м. Берти пришел к выводу, что в пустой части находится не что иное, как вакуум, ведь вода не могла просочиться ни через стекло, ни тем более через запечатанную часть вверху трубки. Сам того не подозревая, Гаспаро Берти изобрел первый прототип барометра.
По сути, атмосфера нашей планеты представляет собой колоссальных размеров океан, только вместо воды в нем — воздух. Если продолжать следовать этой логической цепочке, то получается, что мы живем на дне воздушного океана. Как давление воды на глубине действует на живых существ, так и воздух давит на обитателей планеты. И, как и глубоководные жители океана, мы тоже приспособились к давлению воздуха, да так, что большинство вообще не замечает колебаний этого показателя, а единственное ощутимое всеми людьми возмущение воздушного океана — ветер. Но зато эти изменения хорошо заметны специальному прибору — барометру, первая модель которого появилась еще в XVII веке.
Опыт Торричелли
Ученый мир того времени был, мягко говоря, не впечатлен результатами исследований Берти, и даже его наставник посчитал, что тот допустил ошибку. Только один человек решил повторить опыт, но при этом акцентировать внимание не на жидкости внутри трубки, а на окружающем мире. Целью своих исследований Эванджелиста Торричелли назвал все, что может повлиять на жидкость в трубке. В результате работы он понял, что воздух, оказывая давление на окружающие предметы и воду в том числе, мешает снижаться ее уровню, и наоборот. Именно Торричелли понял, что Берти изобрел не просто способ доказать существование вакуума, но и дал ученому миру возможность измерить атмосферное давление.
Казалось бы, что вот сейчас будет всемирное признание, но мы же помним, в какое время все это происходило. Середина XVII века, тогда верили, что воздух абсолютно ничего не весит, и, естественно, не может оказывать никакого давления. Торричелли тоже не получил одобрения, ни от наставника Галилея, ни от прочих ученых.
Тогда он решил изменить условия опыта, и залить в трубку ртуть вместо воды. Таким образом он убивал сразу двух зайцев: во-первых, это позволяло конструировать трубку гораздо меньшей высоты — удалось обойтись всего лишь полутора метрами, так как ртуть гораздо плотнее воды, а во-вторых, будет доказано, что опыт коллеги был проведен правильно. Ртуть в трубке остановилась на уровне 76 см: сейчас именно давление в 760 мм ртутного столба считается нормой.
Без помощи со стороны не обошлось: Торричелли посодействовали Блез Паскаль и его сводный брат. Последний взял опытный образец нового прибора с собой в горы, чтобы посмотреть, как ртуть ведет себя на высоте. На отметке 1800 м над уровнем моря уровень ртути снизился более чем на 10 см. В этот момент было доказано сразу две теории: и то, что существует давление воздуха, и то, что оно уменьшается вместе с увеличением высоты. Кстати, сейчас давление измеряется именно в паскалях, в честь этого ученого.
Снова вспомню время, в которое происходит эта ситуация. Открытие Торричелли долгие годы оставалось безвестным, даже засекреченным — ведь Церковь не признавала существование вакуума, и подобные исследования могли счесть за ересь. Непризнанный ученый был похоронен без каких-либо почестей, в могиле без достойного обрамления.
И только спустя десятилетия устройство, которое он изобрел, постепенно появляется в домах. Даже название ему дал не Торричелли — "отцом" термина стал другой известный физик, Роберт Бойль. В качестве маркетинговой заманухи использовалась возможность самостоятельно и довольно точно предсказывать погоду, не выходя из дома, поэтому комнатные барометры появились во многих аристократических домах. Не гнушались барометром и ученые, используя его для измерения глубины шахт и высоты гор. Прототип Торричелли использовался очень долго, пока ртутные барометры не запретили для использования в домах из-за опасности этого металла, точнее, токсичности его паров.
Как обойтись без ртути?
Известным английским ученым Робертом Гуком в 1670 году была создана шкала барометра, низкое давление в которой указывало, что приближается дождь или шторм, а сухую и солнечную погоду предвещало высокое давление. Этот старинный предмет и есть прообраз современного комнатного барометра.
История изобретения водяного барометра начинается с 1657 года благодаря ученому Отто фон Герике. Прибор представлял собой длинную медную трубку, нижний конец которой был погружен в сосуд, наполненный водой, а верхний со стеклянной трубкой имел специальный кран и соединялся с воздушным насосом. После откачки воздуха вода в трубке поднялась до высоты в 19 локтей, затем изобретатель закрывал кран, а сам барометр отсоединял от насоса. Отто заметил зависимость между состоянием погоды и высотой воды в трубке. В 1660 году ему удалось предсказать сильную бурю в Магдебурге за 2 часа до того, как она началась, что вызвало изумление местных жителей.
Уже в начале XVIII века существовал проект безжидкостного барометра, но воплотить его в жизни не удалось, как как уровень развития науки оставлял желать лучшего. Авторство проекта принадлежало Готфриду Лейбницу. Первый рабочий прототип подобного прибора появился в 1844 году: его создал ученый из Франции, Люсьен Видье. Усовершенствованная модель этого барометра применяется и поныне. В ней не используется ртуть, и какая-либо иная жидкость: вместо этого в анероидном, то есть безжидкостном, барометре находится металлическая капсула, материалом для которой стал сплав бериллия и меди. Капсула, в свою очередь, находится в камере в окружении вакуума. Если изменялось давление воздуха снаружи, сплав, незаметно для человека, расширялся или сжимался. Специальная система, сплошь состоящая из шестеренок и рычагов, выводила любое изменение на приспособленную для него шкалу. Анероидные барометры не так точны, как ртутные, но они намного безопаснее и крепче, а потому постепенно вытеснили с рынка своих жидкостных собратьев.
В России первый барометр появился еще при царе Алексее Михайловиче, будучи привезенным из Италии в качестве заморской диковинки. Для присмотра за ним был назначен отдельный служащий, но толку было мало: придворный синоптик предпочел ограничиться отписками о сегодняшней погоде, не обращая внимания на показания барометра. Регулярные же наблюдения за погодой в целом и давлением в частности начались только в 1725 году, с подачи Петра I, и с тех пор термометры и барометры прочно вошли в обиход.
Что касается современного использования барометров, то и ртутные, и анероидные сейчас практически не применяются, и представляют интерес больше для антикваров, чем для обычных пользователей. В лабораториях их место заняли цифровые устройства. Для вычисления атмосферного давления в них используется не ртуть и не капсулы, а микрочипы и процессоры. Это настолько крошечные устройства, что встретить их можно где угодно, например, в простом смартфоне. Насчет идеальности определения погоды врать не буду, не засекал, но в целом, судя по самочувствию метеозависимого человека, показания совпадают.
Читайте также: