§ 5. Атмосферное давление. Опыт Торричелли.
Земля окружена воздушной оболочкой, состоящей из смеси газов. Эта оболочка называется атмосферой. Каждый горизонтальный слой атмосферы сжат весом более верхних слоев, поэтому давление в нижних слоях атмосферы больше, чем в верхних. При этом и плотность воздуха в нижних слоях значительно больше, чем в верхних Это связано с тем, что газы под воздействием давления могут сильно уменьшить свой объем. Жидкости же обладают очень малой сжимаемостью и практически не изменяют своей плотности даже при больших давлениях. Атмосферное давление на уровне моря равно примерно 105 Па, т.е. 100000 Па. Это желательно помнить. С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. На высоте примерно в 5,5 км оно уменьшается вдвое.
З
начение атмосферного давления впервые определил экспериментально в 1634 г. итальянский ученый Торричелли, создав простейший ртутный барометр. Опыт Торричелли состоит в следующем. Стеклянная трубка длиной около метра, запаянная с одного конца, заполняется полностью ртутью. Затем, закрыв отверстие трубки, ее переворачивают и погружают открытым концом в чашу со ртутью (рис.6). Часть ртути из трубки выливается и в ней остается столб ртути высотой Н. Давление в трубке над ртутью равно нулю (если пренебречь ничтожным давлением паров ртути), так как там - пустота (вакуум):
РС = 0. Давление РВ в точке В равно давлению РА в точке А, поскольку в сообщающихся сосудах - чаше и трубке - точки А и В находятся на одном уровне. Давление РА равно атмосферному давлению Ратм. Поэтому PВ — Ратм, Разность
давлений РB — Pc=pgH, где р — плотность ртути. Так как РВ= Ратм и РС = 0 , то Ратм = р g H . Измерив Н и зная р .можно определить атмосферное давление в условиях опыта. Торричелли нашел, что для уровня моря Н =760 мм .
В опыте Торричелли каждому значению Н соответствует определенное значение Ратм. Следовательно, атмосферное давление можно измерять в миллиметрах ртутного столба. Эта единица давления получила специальное название "Торр":
1 Торр = 1 мм.рт.ст. При этом высота столба ртути берется той, которую он имел бы при 0°С. Атмосферное давление в 760 Торр называется нормальным атмосферным давлением. Значение этого давления называется нормальной (физической) атмосферой и обозначается 1 атм. Знай плотность ртути
р= 13595 кг/м3, находим по формуле Ратм = р g Н
Ратм = 760 Торр ~ 101325 Па ~ 1,013 10s Па . Умножим равенство Рлтм =р g H на плошадь внутреннего сечения трубки: РатмS = р gH S . Заметим, что последнее равенство можно получить и непосредственно, записав условие равновесия столба ВС ртути (рис.6). Произведение: PатмS равно силе давления F на столб ртути ВС снизу, вызванное наличием атмосферного давления, a pgHS есть вес столба ВС ртути в трубке. Поэтому говорят, что в опыте Торричелли давление, создаваемое весом столба ртути, уравновешивается атмосферным давлением.
Замена ртути водой в опыте Торричелли требует высоты трубки более 10 м. Действительно, при нормальном атмосферном давлении Ратм для значения плотности воды
р = 1000кг/м3из формулы Ратм = рgH следует, что Н ~ 10,3 м . Это означает, что нормальное атмосферное давление уравновешивается столбом воды высотой 10,3 м.