TORRICELLI-EKSPERIMENT: MÅLINGER AV ATMOSFÆRISK TRYKK, VIKTIGHET - FYSISK - 2025

Den Forsøket Torricelli ble utført ved fysisk og italiensk matematiker Evange Torricelli i 1644 og resulterte i den første målingen av det atmosfæriske trykket.

Dette eksperimentet kom fra behovet for å forbedre vannforsyningen i byer. Evangelista Torricelli (1608-1647), som var rettsmatematiker for storhertugen av Toscana Ferdinand II, hadde studert hydrauliske fenomener sammen med Galileo.

Figur 1. Torricellis eksperiment, der kvikksølvsøylen stiger 760 mm på grunn av atmosfæretrykk. Kilde: F. Zapata.

Eksperimentet

I 1644 gjorde Torricelli følgende eksperiment:

- Han introduserte kvikksølv i et rør 1 m langt, åpent i den ene enden og lukket i den andre.

- Da røret var helt fullt, vendte han det og dumpet det i en beholder som også inneholdt kvikksølv.

- Torricelli observerte at søylen sank ned og stoppet på omtrent 76 cm høy.

- Han la også merke til at det var blitt generert et vakuum i rommet som var fritt, men ikke perfekt.

Torricelli gjentok eksperimentet ved bruk av forskjellige rør. Han gjorde til og med en liten variasjon: han la vann til bøtta, som, mens han var lettere, fløt på kvikksølvet. Så løftet han sakte røret som inneholder kvikksølv til overflaten av vannet.

Så gikk kvikksølvet ned og vannet gikk opp. Som oppnådd var vakuumet ikke perfekt, for det var alltid rester av kvikksølvdamp eller vann.

Måling av atmosfæretrykk

Atmosfæren er en blanding av gasser hvor nitrogen og oksygen dominerer, med spor av andre gasser som argon, karbondioksid, hydrogen, metan, karbonmonoksid, vanndamp og ozon.

Tyngdekraftsattraksjonen som utøves av jorden, er ansvarlig for å holde hele den omkringliggende planeten.

Naturligvis er sammensetningen ikke ensartet, og heller ikke densiteten, siden den avhenger av temperaturen. Nær overflaten er det en god mengde støv, sand og miljøgifter fra naturlige hendelser og også fra menneskelig aktivitet. De tyngre molekylene er nærmere bakken.

Siden det er så stor variasjon, er det nødvendig å velge en referansehøyde for atmosfæretrykk, som for enkelhets skyld er blitt tatt som havnivå.

Her er det ikke bare noen havnivå, for det gir også svingninger. Nivået eller nullpunktet velges ved hjelp av et geodetisk referansesystem som er fastlagt etter enighet mellom ekspertene.

Hva er det atmosfæriske trykket nær bakken verdt? Torricelli fant verdien da han målte høyden på kolonnen: 760 mm kvikksølv.

Torricelli-barometeret

På toppen av røret er trykket 0, siden det er opprettet et vakuum der. I mellomtiden, på overflaten av kvikksølvet karet, trykket P ₁ er atmosfærisk trykk.

La oss velge opprinnelsen til referanserammen på kvikksølvets frie overflate, øverst på røret. Derfra til overflaten av kvikksølvet i beholderen, mål H, høyden på kolonnen.

Figur 2. Torricelli-barometeret. Kilde: Generell fysikk for ingeniører. J. Lay. USACH.

Trykket ved det punktet som er markert med rødt, på dybden y _1, er:

Hvor ρ _Hg er tettheten av kvikksølv. Siden y ₁ = H og Po = 0:

Siden tettheten av kvikksølv er konstant og tyngdekraften er konstant, viser det seg at høyden på kvikksølvsøylen er proporsjonal med P _{1 ,} som er atmosfæretrykket. Å erstatte kjente verdier:

Enheten for trykk i det internasjonale systemet er den pascal, forkortede Pa. I følge Torricellis eksperiment er atmosfæretrykket 101,3 kPa.

Betydningen av atmosfærisk trykk for klimaet

Torricelli observerte at nivået av kvikksølv i røret gjennomgikk små variasjoner hver dag, så han utledet at atmosfæretrykket også må endre seg.

Atmosfærisk trykk er ansvarlig for store deler av klimaet, men dets daglige variasjoner blir ikke lagt merke til. Det er fordi de ikke er like merkbare som uvær eller kulde, for eksempel.

Disse variasjonene i atmosfæretrykket er imidlertid ansvarlig for vindene, som igjen påvirker nedbør, temperatur og relativ fuktighet. Når bakken varmes opp, ekspanderer luften og pleier å stige, noe som får trykket til å falle.

Når barometeret indikerer høyt trykk, kan det forventes godt vær, mens det med lave trykk er muligheten for uvær. For å gjøre nøyaktige værmeldinger trenger du imidlertid mer informasjon om andre faktorer.

Han

Selv om det høres rart ut, siden trykk er definert som kraft per arealenhet, er det i meteorologi gyldig å uttrykke atmosfæretrykk i millimeter kvikksølv, som etablert av Torricelli.

Dette skyldes at kvikksølvbarometeret fortsatt blir brukt i dag med liten variasjon siden den gang, slik at 760 mm Hg til ære for Torricelli tilsvarer 1 torr. Med andre ord:

Hvis Torricelli hadde brukt vann i stedet for kvikksølv, ville høyden på kolonnen være 10,3 moh. Kvikksølvbarometeret er mer praktisk, da det er mer kompakt.

Andre enheter i utbredt bruk er barer og millibarer. En millibar tilsvarer en hectopascal eller 10 ² pascals.

høydemålere

En høydemåler er et instrument som indikerer høyden på et sted, og sammenligner det atmosfæriske trykket i den høyden med det på bakken eller et annet referansested.

Hvis høyden ikke er veldig stor, kan vi i prinsippet anta at tettheten til luften forblir konstant. Men dette er en tilnærming, siden vi vet at tettheten av atmosfæren reduseres med høyden.

Ved å bruke ligningen som er brukt ovenfor, brukes luftens tetthet i stedet for den for kvikksølv:

I dette uttrykket blir P _o tatt som atmosfæretrykket på bakkenivå, og P1 er det for stedet hvis høyde skal bestemmes:

Den altimetriske ligningen viser at trykket synker eksponentielt med høyden: for H = 0, P ₁ = P _eller og hvis H → ∞, så er P ₁ = 0.

referanser

1. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Volum 5. Væsker og termodynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysikk: En titt på verden. 6. forkortede utgave. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. Fjerde. Edition. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Måling av det naturlige miljøet. Andre. Edition. Cambridge University Press.