Давление Атмосферы Земли

Так как вопрос о давлении атмосферы земли не так прост, как нам кажется на первый взгляд, изложу его подробно.

Начну с определения классической физикой понятия давления атмосферы. 

Атмосферное давление определяется как сила, действующая на единицу площади, вызванная весом воздуха над этой поверхностью. Рассмотрим этот процесс на языке молекул воздуха. Если число молекул воздуха над поверхностью увеличивается, то, соответственно, большее число молекул вызывает давление на эту поверхность и, следовательно, давление возрастает. Аналогично, уменьшение числа молекул воздуха над поверхностью вызовет уменьшение давления. Атмосферное давление определяется с помощью прибора, который называется "барометром", вот почему атмосферное давление также называют барометрическим.

Значение атмосферного давления впервые экспериментально определил в 1634 г. итальянский ученый Торричелли. Опыт Торричелли заключается в следующем. Стеклянную трубку длиной около 1 м, один конец которой запаян, заполняют ртутью и, закрыв отверстие другого конца, переворачивают и погружают в сосуд со ртутью (рис. 15b). Затем отверстие открывают, часть ртути из трубки выливается в сосуд, а в трубке остается столб ртути высотой h (над ним в трубке образуется безвоздушное пространство, заполненное парами ртути). Эта высота ртутного столба сохраняется и при наклонном положении трубки (показано штрихом).

Опыт Торричелли свидетельствует, что давление столба ртути высотой h уравновешивает давление атмосферы. Дальнейшие наблюдения показали, что высота столба ртути в трубке (и следовательно, значение атмосферного давления) зависит от погодных условий и от высоты местности.

Атмосферное давление, уравновешиваемое при 0°С столбом ртути высотой h = 760 мм, считается нормальным. Значение этого давления называют нормальной, или физической атмосферой и обозначают 1 атм.

Давайте рассмотрим процессы происходящие внутри стеклянной трубки, чтобы понять по какой причине уровень жидкости остается на постоянном уровне. И какое влияние оказывает атмосферное давление воздуха на этот уровень.

Для простоты рассуждений, разговор будем вести не о ртути, а о воде в стеклянной трубке. (оба вещества прозрачные, поэтому лучше наблюдать процесс).

Предположим, что Торричелли прав и сила от давления атмосферы равна силе веса воды в трубке 

(Fa = P_воды) .

Если поднимать трубку выше отметки 10,33м, то к весу воды нужно добавить еще и вес пара, который образуется в трубке над ртутью.

В этом случае мы получим неравенство (Fa < P_воды  + P _пара).

   Следовательно не сила (Fa) атмосферного давления (хотя она и влияет на уровень воды) удерживает уровень воды в трубке на высоте 10,33м, а что то другое?

Если вы ознакомились с разделом „Задача о стакане с водой“, то уже догадались.

   Вода в стекле имеет отрицательный вес (сила веса направлена вверх, как например у пузырька воздуха находящегося в воде) .

Вы убедитесь в этом если воспользуетесь для расчета подобной задачи моей формулой.

Прямым практическим доказательством тому служит то, что испарение воды в опыте с трубкой Торричелли происходит не снизу  жидкости, а с ее поверхности.

Поэтому, хотя в трубке жидкость закикипает при достижении уровня 10,33м, и образуется пар, пузырьков движущихся по жидкости вы не увидите. Так как испарение происходит с поверхности жидкости.

Объясню почему так происходит.

   В общем случае, пузырьки пара образуется не по всему объему жидкости равномерно, а там, где давление в жидкости максимально.

   Вода закипает тогда, когда уменьшается разница между внутренним давлением воды и давлением на воду снаружи. Создать эти условия можно двумя способами.

Первый - изменением внутреннего давления атомов в воде (можно, например, достигнуть  нагреванием воды или пропусканием через воду электрического тока).

Второй - изменением давления атмосферы на воду (уменьшая давление на воду снаружи мы добъемся тоже того ,что вода закипит).

   Например, в открытой кастрюле, давление воды больше внизу, так как вес воды направлен вниз, по отношению к кастрюле.

В случае с трубкой Торричелли (относится к одной из разновидностей первого способа), вес воды направлен вверх (относительно трубки), поэтому давление воды больше вверху.

Чтобы убедиться в правильности моих выводов, вы можете проделать очень простой и наглядный опыт с обычным медицинским шприцом.

Втяните поршнем в шприц воду, переверните его отверстием вверх и выгоните воздух. Заткните отверстие пальцем.

  Если теперь очень медленно вытягивать поршень из шприца, находящегося в горизонтальном положении, то можно, как в замедленной киносъемке, наблюдать процесс зарождения и увеличения пузырьков в диаметре.

   Дак вот, пузырьки (это очень четко видно), появляющиеся в нижней части шприца гораздо меньше в диаметре, чем в верхней. Значит давление в верхней части больше, чем в нижней.

А это и есть признак того, что вода в стекле шприца имеет отрицательный вес!

Таким образом опыт со шприцом является индикатором внутреннего давления воды в шприце!

После каждого опыта тщательно встряхивайте шприц и удаляйте оставшиеся пузырьки (приводите воду в исходное состояние).

Подводя итог всему вышеизложенному возникает вопрос:

Что же неверно в выводах Торричелли?

То что давление атмосферы существует, это неоспоримый факт.

Торричелли ввел единицу измерения атмосферного давления. С ней я тоже согласен, можно ввести и такую еденицу измерения.

Однако с тем выводом Торричелли, что сила в 1атмосферу удерживает столб жидкости в трубке, я в корне не согласен !!

У вас возникает вопрос. Чему же тогда равна эта сила атмосферного давления, которая давит на землю и тела у ее поверхности?

Величина силы атмосферного давления воздуха на вещество находящееся в замкнутом пространстве (например твердое тело) есть величина переменная.

Сила эта зависит от того, на какое вещество она  давит. Например, одна и та же атмосфера, оказывает на железный шар большее давление, чем на стеклянный шар таких же размеров. Подробнее о величине атмосферного давления можно прочитать в разделе "Давление газов и жидкостей".

Alexander Stumpf