TORRICELLI-EKSPERIMENT: MÅLING AF ATMOSFÆRISK TRYK, BETYDNING - FYSISK - 2025

Den eksperiment Torricelli blev udført ved fysisk og italiensk matematiker Evangelista Torricelli i 1644 og resulterede i den første måling af det atmosfæriske tryk.

Dette eksperiment stammede fra behovet for at forbedre vandforsyningen i byerne. Evangelista Torricelli (1608-1647), der var domstolsmatematiker for storhertugen af ​​Toscana Ferdinand II, havde studeret hydrauliske fænomener med Galileo.

Figur 1. Torricellis eksperiment, hvor kviksølvsøjlen stiger 760 mm på grund af atmosfærisk tryk. Kilde: F. Zapata.

Eksperimentet

I 1644 foretog Torricelli følgende eksperiment:

- Han indførte kviksølv i et rør, der var 1 m langt, åben i den ene ende og lukkede i den anden.

- Da røret var helt fyldt, vendte han det ned og dumpede det i en beholder, der også indeholdt kviksølv.

- Torricelli observerede, at søjlen faldt ned og stoppede ved ca. 76 cm høj.

- Han bemærkede også, at der var skabt et vakuum i det rum, der var frit, skønt ikke perfekt.

Torricelli gentog eksperimentet ved hjælp af forskellige rør. Han lavede endda en lille variation: han føjede vand til spanden, som, når han var lettere, flydede på kviksølvet. Derefter hævede han langsomt røret indeholdende kviksølv til overfladen af ​​vandet.

Så gik kviksølvet ned, og vandet gik op. Som vi allerede har sagt, var vakuumet ikke perfekt, fordi der altid var rester af kviksølvdamp eller vand.

Måling af atmosfærisk tryk

Atmosfæren er en blanding af gasser, hvori nitrogen og ilt dominerer, med spor af andre gasser såsom argon, kuldioxid, brint, methan, kulilte, vanddamp og ozon.

Tyngdekraften, der udøves af Jorden, er ansvarlig for at bevare hele den omkringliggende planet.

Naturligvis er sammensætningen ikke ensartet og heller ikke densiteten, da den afhænger af temperaturen. Tæt på overfladen er der en god mængde støv, sand og forurenende stoffer fra naturlige begivenheder og også fra menneskelig aktivitet. De tungere molekyler er tættere på jorden.

Da der er så stor variation, er det nødvendigt at vælge en referencehøjde for atmosfærisk tryk, der for nemheds skyld er taget som havoverfladen.

Her er det ikke bare nogen havniveau, for det giver også udsving. Niveauet eller nulpunktet vælges ved hjælp af et geodetisk referencesystem fastlagt efter fælles aftale mellem eksperterne.

Hvad er det atmosfæriske tryk nær jorden værd? Torricelli fandt dets værdi, da han målte højden af ​​søjlen: 760 mm kviksølv.

Torricelli-barometeret

Øverst på røret er trykket 0, da der er etableret et vakuum der. I mellemtiden, på overfladen af kviksølvet vat, trykket P ₁ er atmosfærisk tryk.

Lad os vælge oprindelsen af ​​referencerammen på den frie overflade af kviksølvet, øverst på røret. Derefter til overfladen af ​​kviksølvet i beholderen, mål H, søjlens højde.

Figur 2. Torricelli-barometeret. Kilde: Generel fysik for ingeniører. J. Lay. USACH.

Trykket på det røde markerede punkt på dybden y ₁ er:

Hvor ρ _Hg er densiteten af ​​kviksølv. Da y ₁ = H og Po = 0:

Da tætheden af kviksølv er konstant og tyngdekraften er konstant, viser det sig, at højden af kviksølvsøjlen er proportional med P ₁ , som er det atmosfæriske tryk. I stedet for kendte værdier:

Enheden for tryk i det internationale system er den pascal, forkortede Pa. I henhold til Torricellis eksperiment er atmosfæretrykket 101,3 kPa.

Betydningen af ​​atmosfærisk pres for klimaet

Torricelli observerede, at niveauet af kviksølv i røret gennemgik små variationer hver dag, så han udledte, at atmosfæretrykket også må ændre sig.

Atmosfærisk tryk er ansvarlig for meget af klimaet, men dets daglige variationer forbliver ubemærket. Det skyldes, at de for eksempel ikke er så mærkbare som storme eller kulde.

Disse variationer i atmosfæretrykket er dog ansvarlige for vinden, der igen påvirker nedbør, temperatur og relativ fugtighed. Når jorden opvarmes, udvides luften og har tendens til at stige, hvilket får trykket til at falde.

Hver gang barometeret indikerer et højt tryk, kan der forventes godt vejr, mens der med lave tryk er der mulighed for storme. For at gøre nøjagtige vejrforudsigelser har du dog brug for mere information om andre faktorer.

Han

Selvom det lyder mærkeligt, da tryk er defineret som kraft pr. Arealenhed, er det i meteorologi gyldigt at udtrykke atmosfærisk tryk i millimeter kviksølv, som er fastlagt af Torricelli.

Dette skyldes, at kviksølvbarometeret fortsat bruges i dag med ringe variation siden den tid, så 760 mm Hg til ære for Torricelli er lig med 1 torr. Med andre ord:

Hvis Torricelli havde brugt vand i stedet for kviksølv, ville søjlens højde være 10,3 m. Kviksølvbarometeret er mere praktisk, da det er mere kompakt.

Andre enheder i udbredt brug er barer og millibars. En millibar er lig med en hectopascal eller 10 ² pascals.

højdemålere

En højdemåler er et instrument, der angiver højden på et sted og sammenligner det atmosfæriske tryk i den højde med det på jorden eller et andet referencested.

Hvis højden ikke er særlig stor, kan vi i princippet antage, at luftens densitet forbliver konstant. Men dette er en tilnærmelse, da vi ved, at densitet i atmosfæren falder med højden.

Ved hjælp af den ovenfor anvendte ligning bruges lufttætheden i stedet for kviksølv:

I dette udtryk tages P _o som det atmosfæriske tryk i jordniveau, og P1 er det for det sted, hvis højde skal bestemmes:

Den altimetriske ligning viser, at trykket falder eksponentielt med højden: for H = 0, P ₁ = P _eller og hvis H → ∞, så er P ₁ = 0.

Referencer

1. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. Volumen 5. Væsker og termodynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6. forkortede udgave. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. General Physics for Engineers. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4th. Edition. Pearson Uddannelse.
5. Strangeways, I. 2003. Måling af det naturlige miljø. 2nd. Edition. Cambridge University Press.