การทดลอง TORRICELLI: การวัดความดันบรรยากาศความสำคัญ - กายภาพ - 2026

การทดลอง Torricelliดำเนินการโดยนักคณิตศาสตร์ชาวอิตาลี Evangelista Torricelli ในปี 1644 และส่งผลให้มีการวัดความดันบรรยากาศครั้งแรก

การทดลองนี้เกิดขึ้นจากความต้องการในการปรับปรุงระบบประปาในเมือง Evangelista Torricelli (1608-1647) ซึ่งเป็นนักคณิตศาสตร์ศาลของ Grand Duke of Tuscany Ferdinand II ได้ศึกษาปรากฏการณ์ไฮดรอลิกกับกาลิเลโอ

รูปที่ 1 การทดลองของ Torricelli ซึ่งคอลัมน์ปรอทสูงขึ้น 760 มม. เนื่องจากความดันบรรยากาศ ที่มา: F. Zapata

การทดลอง

ในปี 1644 Torricelli ได้ทำการทดลองดังต่อไปนี้:

- เขานำปรอทใส่หลอดยาว 1 ม. เปิดที่ปลายด้านหนึ่งแล้วปิดอีกด้านหนึ่ง

- เมื่อหลอดเต็มแล้วเขากลับด้านและทิ้งลงในภาชนะที่มีปรอทด้วย

- Torricelli สังเกตว่าเสาลดลงและหยุดที่ความสูงประมาณ 76 ซม.

- เขาสังเกตด้วยว่ามีการสร้างสุญญากาศขึ้นในพื้นที่ว่างแม้ว่าจะไม่สมบูรณ์แบบก็ตาม

Torricelli ทำการทดลองซ้ำโดยใช้หลอดที่แตกต่างกัน เขายังสร้างรูปแบบเล็ก ๆ น้อย ๆ : เขาเติมน้ำลงในถังซึ่งเบากว่าลอยอยู่บนปรอท จากนั้นเขาก็ค่อยๆยกหลอดที่บรรจุปรอทขึ้นสู่ผิวน้ำ

จากนั้นปรอทก็ลงน้ำก็ขึ้น สูญญากาศที่เราได้กล่าวไปแล้วนั้นไม่สมบูรณ์แบบเพราะมีไอปรอทหรือน้ำหลงเหลืออยู่เสมอ

การวัดความดันบรรยากาศ

บรรยากาศเป็นส่วนผสมของก๊าซที่ไนโตรเจนและออกซิเจนมีอำนาจเหนือกว่าโดยมีร่องรอยของก๊าซอื่น ๆ เช่นอาร์กอนคาร์บอนไดออกไซด์ไฮโดรเจนมีเทนคาร์บอนมอนอกไซด์ไอน้ำและโอโซน

แรงดึงดูดของโลกที่กระทำโดยโลกมีหน้าที่ในการรักษาทั้งโลกโดยรอบ

แน่นอนองค์ประกอบไม่สม่ำเสมอและไม่มีความหนาแน่นเนื่องจากขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ใกล้พื้นผิวมีฝุ่นทรายและมลพิษจำนวนมากจากเหตุการณ์ทางธรรมชาติและจากกิจกรรมของมนุษย์ โมเลกุลที่หนักกว่าอยู่ใกล้พื้นมากขึ้น

เนื่องจากมีความแปรปรวนมากจึงจำเป็นต้องเลือกระดับความสูงอ้างอิงสำหรับความดันบรรยากาศซึ่งถือเป็นระดับน้ำทะเลเพื่อความสะดวก

ที่นี่ไม่ใช่แค่ระดับน้ำทะเล แต่อย่างใดเพราะยังมีความผันผวนอีกด้วย ระดับหรือข้อมูลจะถูกเลือกด้วยความช่วยเหลือของระบบอ้างอิง geodetic ซึ่งได้รับการแก้ไขโดยข้อตกลงร่วมกันระหว่างผู้เชี่ยวชาญ

ความดันบรรยากาศใกล้พื้นดินมีค่าเท่าใด? Torricelli พบค่าของมันเมื่อเขาวัดความสูงของคอลัมน์: ปรอท 760 มม.

บารอมิเตอร์ Torricelli

ที่ด้านบนของท่อความดันคือ 0 เนื่องจากมีการสร้างสุญญากาศขึ้นที่นั่น ในขณะเดียวกันบนพื้นผิวของถังปรอทความดัน P ₁คือความดันบรรยากาศ

มาเลือกจุดเริ่มต้นของกรอบอ้างอิงบนพื้นผิวที่ว่างของปรอทที่ด้านบนของหลอด จากนั้นไปที่พื้นผิวของปรอทในภาชนะวัด H ความสูงของคอลัมน์

รูปที่ 2 บารอมิเตอร์ Torricelli ที่มา: ฟิสิกส์ทั่วไปสำหรับวิศวกร เจเล. USACH

ความดันที่จุดที่ทำเครื่องหมายเป็นสีแดงที่ระดับความลึก y ₁คือ:

โดยที่ρ _Hgคือความหนาแน่นของปรอท ตั้งแต่ y ₁ = H และ Po = 0:

เนื่องจากความหนาแน่นของสารปรอทจะคงที่และแรงโน้มถ่วงเป็นค่าคงที่ปรากฎว่าความสูงของคอลัมน์ปรอทเป็นสัดส่วนกับ P _{1 ,}ซึ่งเป็นความดันบรรยากาศ การแทนที่ค่าที่ทราบ:

หน่วยสำหรับความดันในระบบสากลคือปาสคาลเรียกโดยย่อว่า Pa จากการทดลองของ Torricelli ความดันบรรยากาศเท่ากับ 101.3 kPa

ความสำคัญของความดันบรรยากาศต่อสภาพอากาศ

Torricelli สังเกตว่าระดับของปรอทในหลอดมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยทุกวันดังนั้นเขาจึงอนุมานได้ว่าความดันบรรยากาศจะต้องเปลี่ยนไปด้วย

ความดันบรรยากาศมีส่วนรับผิดชอบต่อสภาพอากาศส่วนใหญ่อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงในแต่ละวันไม่มีใครสังเกตเห็น เป็นเพราะพวกเขาไม่สามารถสังเกตเห็นได้ชัดเจนเหมือนพายุหรือความหนาวเย็นเป็นต้น

อย่างไรก็ตามการแปรผันของความดันบรรยากาศเหล่านี้มีผลต่อลมซึ่งจะส่งผลต่อปริมาณน้ำฝนอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์ เมื่อพื้นดินร้อนขึ้นอากาศจะขยายตัวและมีแนวโน้มสูงขึ้นทำให้ความดันลดลง

เมื่อใดก็ตามที่บารอมิเตอร์แสดงถึงแรงกดดันสูงสามารถคาดหวังว่าจะมีอากาศดีในขณะที่มีแรงกดดันต่ำมีโอกาสเกิดพายุได้ อย่างไรก็ตามในการพยากรณ์อากาศที่แม่นยำคุณต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับปัจจัยอื่น ๆ

เขา

แม้ว่าจะฟังดูแปลกเนื่องจากความดันถูกกำหนดให้เป็นแรงต่อหน่วยพื้นที่ในทางอุตุนิยมวิทยาจึงสามารถแสดงความดันบรรยากาศเป็นมิลลิเมตรปรอทได้ตามที่ Torricelli กำหนด

เนื่องจากบารอมิเตอร์ปรอทยังคงใช้อยู่ในปัจจุบันโดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาดังนั้นเพื่อเป็นเกียรติแก่ Torricelli 760 mm Hg จึงเท่ากับ 1 torr กล่าวอีกนัยหนึ่ง:

ถ้า Torricelli ใช้น้ำแทนปรอทความสูงของคอลัมน์จะเท่ากับ 10.3 ม. บารอมิเตอร์ปรอทใช้งานได้จริงกว่าเนื่องจากมีขนาดกะทัดรัดกว่า

หน่วยอื่น ๆ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ บาร์และมิลลิบาร์ หนึ่งมิลลิบาร์เท่ากับหนึ่งเฮกโตปาสคาลหรือ 10 ²ปาสกาล

altimeters

เครื่องวัดความสูงเป็นเครื่องมือที่ระบุความสูงของสถานที่โดยเปรียบเทียบความดันบรรยากาศที่ความสูงนั้นกับที่พื้นดินหรือสถานที่อ้างอิงอื่น

ถ้าความสูงไม่มากโดยหลักการแล้วเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าความหนาแน่นของอากาศคงที่ แต่นี่เป็นค่าประมาณเนื่องจากเรารู้ว่าความหนาแน่นของบรรยากาศจะลดลงตามความสูง

จากสมการที่ใช้ข้างต้นความหนาแน่นของอากาศจะถูกใช้แทนความหนาแน่นของปรอท:

ในนิพจน์นี้ P _oถูกนำมาเป็นความดันบรรยากาศที่ระดับพื้นดินและ P1 คือของสถานที่ซึ่งจะต้องกำหนดระดับความสูง:

สมการความสูงแสดงให้เห็นว่าความดันลดลงแบบทวีคูณตามความสูง: สำหรับ H = 0, P ₁ = P _หรือและถ้า H →∞ดังนั้น P ₁ = 0

อ้างอิง

1. Figueroa, D. 2005. Series: Physics for Sciences and Engineering. เล่มที่ 5. ของไหลและอุณหพลศาสตร์. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
3. Lay, J. 2004. ฟิสิกส์ทั่วไปสำหรับวิศวกร. USACH
4. Mott, R. 2549. กลศาสตร์ของไหล. 4 ฉบับ การศึกษาของเพียร์สัน.
5. Strangeways, I. 2003. การวัดสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ. ครั้งที่ 2 ฉบับ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์