Iz samog koncepta "atmosferskog tlaka" proizlazi da zrak mora imati težinu, inače ne bi mogao vršiti pritisak ni na što. Ali mi to ne primjećujemo, čini nam se da je zrak bestežinski. Prije nego što govorimo o atmosferskom tlaku, morate dokazati da zrak ima težinu, morate ga nekako izvagati. Kako to učiniti? U članku ćemo detaljno razmotriti težinu zraka i atmosferski tlak, proučavajući ih uz pomoć eksperimenata.
Iskustvo
Izvagat ćemo zrak u staklenoj posudi. Ulazi u spremnik kroz gumenu cijev u vratu. Ventil zatvara crijevo tako da u njega ne ulazi zrak. Vakuum pumpom uklanjamo zrak iz posude. Zanimljivo, kako pumpanje napreduje, zvuk pumpe se mijenja. Što manje zraka ostane u tikvici, pumpa radi tiše. Što dulje ispumpavamo zrak, tlak u posudi postaje niži.
Kada se ukloni sav zrak,zatvorite slavinu, stisnite crijevo kako biste blokirali dovod zraka. Izvažite tikvicu bez zraka, a zatim otvorite slavinu. Zrak će ući uz karakterističnu zviždaljku, a njegova težina će se dodati težini tikvice.
Na vagu prvo stavite praznu posudu sa zatvorenim slavinom. Unutar posude je vakuum, izvagajmo ga. Otvorimo slavinu, zrak će ući unutra i ponovno izvagati sadržaj tikvice. Razlika između težine napunjene i prazne tikvice bit će masa zraka. Jednostavno je.
Težina zraka i atmosferski tlak
Sad prijeđimo na rješavanje sljedećeg problema. Da biste izračunali gustoću zraka, trebate podijeliti njegovu masu s volumenom. Volumen tikvice je poznat jer je označen na bočnoj strani tikvice. ρ=mzrak /V. Moram reći da je za postizanje takozvanog visokog vakuuma, odnosno potpunog izostanka zraka u posudi, potrebno puno vremena. Ako je tikvica 1,2 L, to je oko pola sata.
Saznali smo da zrak ima masu. Zemlja ga vuče, pa stoga na njega djeluje sila gravitacije. Zrak gura prema dolje na tlo sa silom jednakom težini zraka. Atmosferski tlak, dakle, postoji. Očituje se u raznim eksperimentima. Učinimo jedno od ovih.
Eksperiment sa štrcaljkom
Uzmite praznu špricu na koju je pričvršćena fleksibilna cijev. Spustite klip štrcaljke i uronite crijevo u posudu s vodom. Povucite klip prema gore i voda će se početi dizati kroz cijev, ispunjavajući štrcaljku. Zašto se voda, koju povlači gravitacija, još uvijek diže iza klipa?
U posudi je zahvaćeno od vrha do dnaAtmosferski tlak. Označimo ga Patm. Prema Pascalovom zakonu, pritisak koji atmosfera vrši na površinu tekućine prenosi se nepromijenjen. Širi se na sve točke, što znači da unutar cijevi postoji i atmosferski tlak, a u špricu iznad sloja vode postoji vakuum (bezzračni prostor), tj. P=0. Tako ispada da atmosferski tlak pritišće vodu odozdo, ali nema tlaka iznad klipa, jer je tamo praznina. Zbog razlike tlaka voda ulazi u špricu.
Eksperimentirajte sa živom
Težina zraka i barometarski tlak - koliko su veliki? Možda je to nešto što se može zanemariti? Uostalom, jedan kubični metar željeza ima masu od 7600 kg, a jedan kubični metar zraka - samo 1,3 kg. Da bismo razumjeli, modificirajmo eksperiment koji smo upravo proveli. Umjesto šprice uzmite bocu zatvorenu čepom s cijevi. Spojite cijev na pumpu i počnite pumpati zrak.
Za razliku od prethodnog iskustva, stvaramo vakuum ne ispod klipa, već u cijelom volumenu boce. Isključite pumpu i istovremeno spustite cijev boce u posudu s vodom. Vidjet ćemo kako je voda punila bocu kroz cijev u samo nekoliko sekundi uz karakteristični zvuk. Velika brzina kojom je "uletjela" u bocu ukazuje da je atmosferski tlak prilično velika vrijednost. Iskustvo to dokazuje.
Prvi put je izmjeren atmosferski tlak, težina zraka talijanski znanstvenik Torricelli. Imao je takvo iskustvo. Uzeo sam staklenu cijev dugu nešto više od 1 m, zatvorenu na jednom kraju. Napunio ga živom do vrha. NakonZatim je uzeo posudu sa živom, prstom joj prignječio otvoreni kraj, okrenuo cijev i uronio je u posudu. Da nije bilo atmosferskog tlaka, tada bi se sva živa izlila, ali to se nije dogodilo. Djelomično se izlio, razina žive se spustila na visinu od 760 mm.
Dogodilo se jer je atmosfera pritiskala živu u spremniku. Upravo iz tog razloga je u našim prethodnim eksperimentima voda tjerana u cijev, zbog čega je voda pratila špricu. Ali u ova dva eksperimenta uzeli smo vodu čija je gustoća niska. Živa ima veliku gustoću, pa je atmosferski tlak uspio podići živu, ali ne do samog vrha, već samo za 760 mm.
Prema Pascalovom zakonu, pritisak koji se vrši na živu prenosi se na sve njezine točke nepromijenjen. To znači da unutar cijevi postoji i atmosferski tlak. Ali s druge strane, ovaj tlak je uravnotežen tlakom stupca tekućine. Označimo visinu stupca žive sa h. Možemo reći da atmosferski tlak djeluje odozdo prema gore, a hidrostatski tlak djeluje odozgo prema dolje. Preostalih 240 mm je prazno. Usput, ovaj vakuum se također naziva Torricelli praznina.
Formula i izračuni
Atmosferski tlak Patm jednak je hidrostatskom tlaku i izračunava se po formuli ρptgh. ρrt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 m. Patm=101,3 kPa. Ovo je prilično velik iznos. List papira koji leži na stolu proizvodi tlak od 1 Pa, a atmosferski tlak je 100 000 paskala. Ispada da trebate staviti100.000 listova papira jedan na drugom da se proizvede takav pritisak. Znatiželjno, zar ne? Atmosferski tlak i težina zraka su vrlo visoki, pa je tijekom eksperimenta voda gurnuta u bocu takvom snagom.
