ความดันบรรยากาศ: ค่าปกติวิธีการวัดตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

ความดันบรรยากาศที่เกิดจากน้ำหนักของก๊าซแต่งบรรยากาศเหนือโลก คาดว่ามวลของบรรยากาศประมาณ 5 x 10 ¹⁸กก. และสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องรับแรงกดดันที่มวลนี้ออกแรง

คนแรกที่วัดได้คือ Evangelista Torricelli นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี (1608-1647) เขาทำการทดลองที่เรียบง่าย แต่แยบยลมากในปี 1644: เขาเติมหลอดแก้วที่ปลายด้านหนึ่งด้วยปรอทกลับด้านแล้วเทลงในภาชนะที่มีปรอทด้วย

รูปที่ 1. บารอมิเตอร์แบบแอนรอยด์เพื่อวัดความดันบรรยากาศซึ่งแตกต่างจากบารอมิเตอร์ปรอทคือไม่มีของเหลว ที่มา: Wikimedia Commons

Torricelli สังเกตว่าหลอดไม่ได้ว่างเปล่า แต่เต็มไปด้วยปรอทที่ความสูง 76 ซม. เขาประหลาดใจที่เขาทำการทดสอบหลายครั้งด้วยท่อที่มีรูปร่างต่างกันและได้ผลลัพธ์ที่เหมือนกันเสมอ

ด้วยวิธีนี้ Torricelli จึงตระหนักว่าความดันบรรยากาศเพิ่มขึ้นและเก็บคอลัมน์ปรอทไว้ในท่อที่ความสูง 760 มม. ด้วยวิธีนี้จะกำหนดค่าเฉลี่ยของความดันบรรยากาศ

เนื่องจากความดันถูกกำหนดให้เป็นแรงต่อหน่วยพื้นที่หน่วยของความดันบรรยากาศในระบบสากลคือนิวตัน / เมตรหรือปาสคาลซึ่งเรียกโดยย่อว่า Pa ดังนั้นในระบบนี้ความดันบรรยากาศ P _atmจึงมีค่าเป็น :

นี่คือค่าปกติของความดันบรรยากาศที่ 0 ºCและที่ระดับน้ำทะเล

ความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลและการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ

ตามทฤษฎีแล้วค่าสูงสุดของความดันบรรยากาศอยู่ที่ระดับน้ำทะเล แม้ว่าในระดับนี้จะมีความแปรปรวนมาก แต่ผู้เชี่ยวชาญจำเป็นต้องตั้งค่าระบบอ้างอิงเพื่อช่วยในการกำหนดค่าของมัน

นี่คือปัจจัยหลักที่มีผลต่อค่าความดันบรรยากาศในสถานที่หนึ่ง ๆ บนโลก:

- ระดับความสูง : สำหรับความสูงทุกๆ 10 เมตรความดันจะลดลง 1 มิลลิเมตรปรอท แต่ก็เกิดขึ้นเช่นกันที่ความหนาแน่นของก๊าซที่ประกอบขึ้นเป็นบรรยากาศไม่คงที่ โดยหลักการแล้วเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้นความหนาแน่นของอากาศจะลดลง

รูปที่ 2. เครื่องวัดระยะสูงเครื่องมือที่ใช้วัดระดับความสูงเหนือระดับน้ำทะเลโดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงความดัน ที่มา: Pixabay

- อุณหภูมิ : ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้นความหนาแน่นจะลดลงและอากาศก็มีน้ำหนักน้อยลงดังนั้นค่าความดันจึงลดลง

- ละติจูด : ความดันบรรยากาศต่ำกว่าที่ละติจูดเส้นศูนย์สูตรเนื่องจากโลกไม่ใช่ทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ ชายฝั่งที่เส้นศูนย์สูตรอยู่ห่างจากใจกลางโลกมากกว่าขั้วและที่นั่นความหนาแน่นของอากาศก็ต่ำกว่าด้วย

- Continentality : มากขึ้นก็จะย้ายไปทางด้านในของทวีปที่สูงกว่าความดันบรรยากาศในขณะที่อยู่ในสถานที่ชายฝั่ง, ความดันต่ำ

การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศกับความสูง

สมการความสูงที่สัมพันธ์กับความดันบรรยากาศ P ของสถานที่ที่มีความสูง z เหนือระดับน้ำทะเลมีรูปแบบนี้:

ในที่นี้ P _oคือความดันที่มีอยู่ที่ความสูงเริ่มต้นหรือความสูงอ้างอิงซึ่งโดยปกติจะเกิดขึ้นที่ระดับน้ำทะเลρ _หรือความหนาแน่นของอากาศที่ระดับน้ำทะเลและ g ค่าของความเร่งของแรงโน้มถ่วง ต่อไปในส่วนของแบบฝึกหัดที่แก้ไขได้คือการหักทีละขั้นตอน

ความดันบรรยากาศวัดได้อย่างไร?

ความดันบรรยากาศวัดด้วยบารอมิเตอร์ ที่ง่ายที่สุดก็เหมือนกับ Torricelli ตัวเดียวที่สร้างขึ้นจากปรอท ความเอียงของท่อหรือเส้นผ่านศูนย์กลางไม่ได้ทำให้ความสูงของคอลัมน์ปรอทเปลี่ยนไปเว้นแต่ว่าปัจจัยทางภูมิอากาศจะเป็นผู้รับผิดชอบในการทำเช่นนั้น

ตัวอย่างเช่นเมฆก่อตัวในบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ ดังนั้นเมื่อการอ่านบารอมิเตอร์ลดลงนั่นเป็นสัญญาณว่าสภาพอากาศเลวร้ายกำลังจะมาถึง

จริงๆแล้วของเหลวอื่น ๆ สามารถใช้แทนปรอทได้เช่นสามารถทำบารอมิเตอร์น้ำได้ ปัญหาคือขนาดของเสาคือ 10.33 ม. ซึ่งไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้

นอกจากนี้ยังมีเครื่องมือที่วัดความดันโดยกลไกผ่านการเปลี่ยนรูปในท่อหรือเกลียว ได้แก่ บารอมิเตอร์แบบแอนรอยด์และมาโนมิเตอร์ พวกเขาสามารถวัดความแตกต่างของความดันระหว่างจุดสองจุดหรือวัดความดันโดยใช้ความดันบรรยากาศเป็นข้อมูลอ้างอิง

หน่วยความดัน

ค่าความดันปกติใช้เพื่อกำหนดหน่วยความดันใหม่: บรรยากาศ, atm แบบย่อ ความดันบรรยากาศคือ 1 atm; ด้วยวิธีนี้ความกดดันอื่น ๆ สามารถแสดงได้ในรูปของความดันบรรยากาศซึ่งเป็นค่าที่ทุกคนคุ้นเคยมาก:

ตารางต่อไปนี้แสดงหน่วยที่ใช้มากที่สุดในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมในการวัดความดันและค่าเทียบเท่าในหน่วยปาสกาล:

หน่วย	ความเท่าเทียมกันในภาษาปาสคาล
N / m 2	หนึ่ง
ATM	101,355
มม. ปรอท	133.3
ปอนด์ / ใน2	6894.76
ผับ	1x 10 5

ความดันไฮโดรสแตติกสัมบูรณ์และมาตรวัด

บนพื้นผิวอิสระของของเหลวในสภาวะสมดุลคงที่และเปิดสู่บรรยากาศความดันบรรยากาศจะทำหน้าที่ แต่ที่จุดภายในของของเหลวแน่นอนว่าน้ำหนักของคอลัมน์ของไหลจะทำหน้าที่

น้ำหนักของคอลัมน์ขึ้นอยู่กับความสูงและความหนาแน่นของของเหลวซึ่งเราจะถือว่าคงที่เช่นเดียวกับอุณหภูมิ ในกรณีนี้ความดัน P คือ:

นี่คือความดันไฮโดรสแตติก ณ จุดใดก็ได้ภายในของเหลวที่มีความหนาแน่นคงที่และแปรผันตรงกับความลึก z ของของเหลว

เกี่ยวกับความดันสัมบูรณ์ P _absในของเหลวที่อยู่นิ่งหมายถึงผลรวมของความดันบรรยากาศ P _atmและความดันไฮโดรสแตติก P:

ในที่สุดความดันเกจ P _manในของเหลวที่เหลือคือความแตกต่างระหว่างความดันสัมบูรณ์และความดันบรรยากาศและในกรณีนี้จะเทียบเท่ากับการวัดความดันไฮโดรสแตติก:

ตัวอย่าง

แรงที่บรรยากาศกระทำต่อร่างกาย

ขนาดของแรงทั้งหมดที่กระทำโดยบรรยากาศในร่างกายมนุษย์สามารถประมาณได้ สมมติว่าร่างกายมีพื้นที่ผิวประมาณ 2 m ²เนื่องจากความดันถูกกำหนดเป็นแรงต่อหน่วยพื้นที่เราสามารถแก้ปัญหาและคำนวณแรงได้:

สำหรับการคำนวณนี้เราจะใช้ค่าปกติของความดันบรรยากาศที่สร้างขึ้นเมื่อเริ่มต้น:

ผลลัพธ์นี้เทียบเท่ากับแรงมากกว่าหรือน้อยกว่า 20 ตัน แต่ไม่ได้แสดงถึงปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บนพื้นผิวโลกซึ่งปรับตัวเข้ากับสิ่งนี้ได้เช่นเดียวกับปลาในทะเล

แม้ว่าจะเป็นกองกำลังที่ค่อนข้างใหญ่ ทำไมเราถึงไม่พังก่อนมัน?

ความดันภายในร่างกายเท่ากับความดันภายนอก เราไม่พังทลายเพราะแรงขาเข้าสมดุลด้วยแรงภายนอกอื่น แต่บางคนได้รับผลกระทบจากความสูงและอาจมีเลือดออกจากจมูกเมื่อปีนภูเขาที่สูงมาก เป็นเพราะความสมดุลระหว่างความดันโลหิตและความดันบรรยากาศถูกรบกวน

จิบเครื่องดื่มด้วยฟางหรือฟาง

ความดันบรรยากาศทำให้สามารถดื่มโซดาด้วยฟางหรือฟางได้ ชาวสุเมเรียนและวัฒนธรรมโบราณอื่น ๆ ค้นพบว่าพวกเขาสามารถดื่มเบียร์โดยใช้ก้านไม้กลวงหรือต้นอ้อเป็นฟาง

ต่อมาในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 หลอดรุ่นต่างๆได้รับการจดสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริการวมทั้งหลอดที่มีข้อศอกรูปหีบเพลงซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

รูปที่ 3 ความดันบรรยากาศช่วยให้คุณจิบด้วยฟาง ที่มา: Pixabay

นี่คือวิธีการทำงาน: เมื่อของเหลวถูกดูดซึมผ่านฟางความดันเหนือของเหลวในฟางจะลดลงทำให้ความดันด้านล่างซึ่งสูงกว่าดันของเหลวขึ้นไปเพื่อให้ดื่มได้ง่าย

ด้วยเหตุนี้หลังการถอนหรือการผ่าตัดทางทันตกรรมจึงไม่แนะนำให้จิบของเหลวด้วยวิธีนี้เนื่องจากความดันลดลงอาจทำให้แผลเปิดและเริ่มมีเลือดออก

การออกกำลังกาย

- แบบฝึกหัด 1

หาสมการอัลทิเมตริก P (z):

-Po คือความดันที่ระดับอ้างอิง (ระดับน้ำทะเล)

-z คือความสูง

-ρ _oคือความหนาแน่นของของเหลวที่ระดับน้ำทะเล

-g คือค่าของความเร่งของแรงโน้มถ่วง

สารละลาย

ขั้นแรกให้ dp เป็นความดันแตกต่างซึ่งตามสมการพื้นฐานของไฮโดรสเตติกส์แสดงเป็น:

เครื่องหมายลบคำนึงถึงความดันลดลงเมื่อเพิ่ม z อากาศจะถูกถือว่าเป็นก๊าซในอุดมคติด้วยดังนั้นความดันและความหนาแน่นจึงสัมพันธ์กันโดย:

ความหนาแน่นจะถูกแทนที่ทันทีเพื่อให้ได้:

ทีนี้การเขียนความดันด้วยวิธีนี้จะถือว่าบรรยากาศถูกแบ่งออกเป็นชั้น ๆ ของความสูง dz บางอย่างเช่นแพนเค้กซ้อนกันโดยแต่ละชั้นจะมีความดัน dp ด้วยวิธีนี้จะได้สมการเชิงอนุพันธ์ซึ่งแก้ไขได้โดยการแยกตัวแปร p และ z:

จากนั้นจะถูกรวมเข้ากับทั้งสองด้านซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มการสนับสนุนแรงดันที่ทำโดยแต่ละชั้น ในอินทิกรัลทางด้านซ้ายมันถูกสร้างขึ้นจากแรงดัน P _หรือเริ่มต้นถึงแรงดันสุดท้าย P ในทำนองเดียวกันอินทิกรัลทางขวาจะประเมินจาก z _oถึง z:

ต่อไปนี้คือการแก้ปัญหาสำหรับ P โดยใช้เลขชี้กำลัง:

ในที่สุดถ้าทั้ง T และ g คงที่ρ _o = (M / RT) P _oแล้ว M / RT = ρ _o / P _oและเรายังสามารถทำให้ z _o = 0 รวมทั้งหมดนี้เข้าด้วยกัน:

- แบบฝึกหัด 2

ค่าของความดันบรรยากาศในลาปาซประเทศโบลิเวียซึ่งอยู่ที่ 3640 ม. เหนือระดับน้ำทะเลคืออะไร? ใช้ความหนาแน่นของอากาศเฉลี่ยเป็น 1,225 กิโลกรัม / เมตร³ที่ระดับน้ำทะเล

สารละลาย

เพียงแค่แทนที่ค่าตัวเลขที่กำหนดในสมการความสูง:

สรุปเป็นประมาณ 66% ของความดันปกติ

อ้างอิง

1. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 5. ของไหลและอุณหพลศาสตร์. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
2. Kirkpatrick, L. 2007. ฟิสิกส์: มองโลก. ฉบับย่อที่ 6 การเรียนรู้ Cengage
3. บรรยากาศมาตรฐาน สืบค้นจาก: av8n.com
4. มหาวิทยาลัยเซบีญ่า การเปลี่ยนแปลงของความดันบรรยากาศ ดึงมาจาก: laplace.us.es.
5. วิกิพีเดีย สมการไฮเปอร์โซเมตริก สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia ความดันบรรยากาศ สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.