Mnogi ljudi znaju da kako se visina povećava, zračni tlak opada. Razmotrite pitanje zašto tlak zraka opada s visinom, dajte formulu za ovisnost tlaka o visini, a također razmotrite primjer rješavanja problema pomoću rezultirajuće formule.
Što je zrak?
Zrak je bezbojna mješavina plinova koja čini atmosferu našeg planeta. Sadrži mnogo različitih plinova, od kojih su glavni dušik (78%), kisik (21%), argon (0,9%), ugljični dioksid (0,03%) i drugi.
Sa stajališta fizike, ponašanje zraka u postojećim uvjetima na Zemlji pokorava se zakonima idealnog plina - modelu prema kojem molekule i atomi plina ne djeluju jedni s drugima, tj. udaljenosti između njih su ogromne u usporedbi s njihovim veličinama, a brzina kretanja na sobnoj temperaturi je oko 1000 m/s.
Tlak zraka
S obzirom na pitanje ovisnosti tlaka o visini, trebali biste shvatiti što predstavljaje koncept "pritiska" s fizičke točke gledišta. Pod tlakom zraka se podrazumijeva sila kojom stup zraka pritiska na površinu. U fizici se mjeri u paskalima (Pa). 1 Pa znači da je sila od 1 njuton (N) primijenjena okomito na površinu od 1 m22. Dakle, tlak od 1 Pa je vrlo mali tlak.
Na razini mora tlak zraka je 101,325 Pa. Ili, zaokružujući, 0,1 MPa. Ta se vrijednost naziva tlakom od 1 atmosfere. Gornja slika govori da na platformi od 1 m2 pritisne zrak sa silom od 100 kN! Ovo je velika sila, ali čovjek je ne osjeća, jer krv u njemu stvara sličan pritisak. Osim toga, zrak se odnosi na tekuće tvari (u njih spadaju i tekućine). A to znači da vrši isti pritisak u svim smjerovima. Posljednja činjenica sugerira da se pritisak atmosfere s različitih strana na osobu međusobno kompenzira.
Ovisnost pritiska o nadmorskoj visini
Atmosferu oko našeg planeta drži Zemljina gravitacija. Gravitacijske sile su također odgovorne za pad tlaka zraka s povećanjem visine. Pošteno radi, treba napomenuti da ne samo Zemljina gravitacija dovodi do smanjenja tlaka. I snižavanje temperature također doprinosi.
Budući da je zrak tekućina, onda za njega možete koristiti hidrostatsku formulu za ovisnost tlaka o dubini (visini), odnosno ΔP=ρgΔh, gdje je: ΔP količina tlaka promijenitipri promjeni visine za Δh, ρ - gustoća zraka, g - ubrzanje slobodnog pada.
S obzirom da je zrak idealan plin, iz jednadžbe stanja idealnog plina slijedi da je ρ=Pm/(kT), gdje je m masa 1 molekule, T njegova temperatura, k je Boltzmannova konstanta.
Kombinirajući gornje dvije formule i rješavajući rezultirajuću jednadžbu za tlak i visinu, može se dobiti sljedeća formula: Ph=P0e-mgh/(kT) gdje je Ph i P0- tlak na visini h odnosno na razini mora. Dobiveni izraz naziva se barometrijska formula. Može se koristiti za izračunavanje atmosferskog tlaka kao funkcije nadmorske visine.
Ponekad je u praktične svrhe potrebno riješiti inverzni problem, odnosno pronaći visinu, znajući pritisak. Iz barometrijske formule lako možete dobiti ovisnost nadmorske visine o razini tlaka: h=kTln(P0/Ph)/(m g).
Primjer rješavanja problema
Bolivijski grad La Paz je "najviši" glavni grad na svijetu. Iz raznih izvora proizlazi da se grad nalazi na nadmorskoj visini od 3250 metara do 3700 metara nadmorske visine. Zadatak je izračunati tlak zraka na nadmorskoj visini La Paza.
Za rješavanje problema koristimo formulu za ovisnost pritiska o visini: Ph=P0e -mg h/(kT), gdje je: P0=101 325 Pa, g=9,8 m/s 2, k=1,3810-23 J/K, T=293 K (20 oC), h=3475 m (prosjek između 3250 m i3700 m), m=4, 81710-26 kg (uzimajući u obzir molarnu masu zraka 29 g/mol). Zamjenom brojeva dobivamo: Ph=67,534 Pa.
Dakle, tlak zraka u glavnom gradu Bolivije iznosi 67% tlaka na razini mora. Nizak tlak zraka uzrokuje vrtoglavicu i opću slabost tijela kada se osoba penje u planinska područja.
