Как измеряется атмосферное давление? Какое атмосферное давление можно считать нормальным для человека.
Как измерить атмосферное давление?
Опыт Торричелли. В 1643 году по предложению итальянского физика Эванжелиста Торричелли (1608–1647) был произведён следующий опыт. Стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Отверстие трубки закрывают пальцем, чтобы ртуть не вылилась, и трубку опускают в вертикальном положении отверстием вниз в сосуд с ртутью. Если теперь отнять палец от отверстия, то столб ртути упадёт до высоты около 760 мм над уровнем ртути в сосуде (рис. 28.6).
Почему же вся ртуть не вылилась из трубки? Поскольку НАД ртутью в трубке так называемая торричеллиева пустота, то есть вакуум, то давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на открытую поверхность ртути.
Читатель: ...Меня немного смущает тот факт, что атмосферный «столб» давит сверху вниз, и ртутный столб тоже давит сверху вниз. Как же они при этом уравновешивают друг друга? Вот если бы они действовали в противоположные стороны, тогда понятно.
В две смежные трубки, широкую и узкую (рис. 28.7), налита жидкость. В широкую трубку вставлен поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Если начать давить на поршень сверху вниз, то вода в узкой трубке начнёт подниматься, точно так же, как ртуть в опыте Торричелли. При этом давление столба воды в узкой трубке уравновесит давление, создаваемое силой в широкой трубке.
Замечу, что опыт Торричелли вызывает некоторое недоумение потому, что твёрдые тела не обладают свойством жидкости передавать оказываемое на них давление во все точки одинаково. Если в опыте, показанном на рис. 28.7, вместо жидкости насыпать в трубки песок, то ничего не получится: песок не будет подниматься в узкой трубке, какое бы давление мы ни прикладывали в широкой трубке.
Вернёмся к опыту Торричелли. Итак, давление столба ртути должно быть таким, чтобы уравновесить атмосферное давление. Поэтому высота столба ртути позволяет нам судить о величине атмосферного давления, и даже измерять его непосредственно в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).
Опыт показывает, что при 0° С на уровне моря атмосферное давление составляет около 760 мм рт. ст. Это давление называется нормальным атмосферным давлением. Прибор, позволяющий измерять атмосферное давление таким способом, называется ртутным барометром (рис. 28.8).
СТОП! Решите самостоятельно: В11–В15, С10–С12.
Задача 28.3 . Измерения, произведенные советской автоматической станцией «Венера-7», показали, что атмосферное давление у поверхности планеты составляет около 10,3 МПа. Сила тяжести на Венере почти в 1,2 раза меньше, чем на Земле. Какова была бы высота ртутного столба в опыте Торричелли, проведенном на Венере?
Единицы измерения атмосферного давления
Обозначение единицы |
Соотношение с единицей системы СИ – паскалем (Па) и другими |
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) |
1 мм. рт. ст. = 133,322 Па |
Миллиметр водного столба (мм вод. ст.) |
1 мм вод. ст. = 9,807 Па |
Атмосфера техническая (ат) |
1 ат = 9,807 10 4 Па |
Атмосфера физическая (атм) |
1 атм = 1,033 ат = 1,013 10 4 Па |
1 тор = 1 мм рт. ст. |
|
Миллибар (мб) |
1 мб = 0,7501 мм рт. ст. = 100 Па |
Таблица 24
Соотношение единиц измерения барометрического давления
мм рт. ст. |
мм вод. ст. |
||||
Паскаль, Па | |||||
Атмосфера нормальная, атм | |||||
Миллиметр ртутного столба, мм рт. ст. | |||||
Миллибар, мб | |||||
Миллиметр водного столба, мм вод. ст. |
Из приведенных в таблицах 23 и 24 единиц измерения наибольшее распространение в России получили мм. рт. ст. имб . Для удобства пересчетов в необходимых случаях можно использовать следующее соотношение:
760 мм рт. ст. = 1013мб = 101300Па (36)
Более простой способ:
Мб = мм. рт. ст.(37)
Мм рт. ст. = мб(38)
Приборы для измерения атмосферного давления.
В гигиенических исследованиях применяются два типа барометров :
жидкостные барометры ;
металлические барометры – анероидные .
Принцип работы различных модификаций жидкостных барометров основан на том, что атмосферное давление уравновешивает определенной высоты столб жидкости в запаянной с одного конца (верхнего) трубке. Чем меньше удельный вес жидкости, тем выше столб последней, уравновешиваемый давлением атмосферы.
Наибольшее распространение получили ртутные барометры , так как высокий удельный вес жидкой ртути позволяет сделать прибор более компактным, что объясняется уравновешиванием давления атмосферы менее высоким столбом ртути в трубке.
Используются три системы ртутных барометров:
чашечные ;
сифонные ;
сифонно-чашечные .
Указанные системы ртутных барометров схематически представлены на рисунке 35.
Станционные чашечные барометры (рисунок 35). В этих барометрах в чашку, заполненную ртутью, помещается запаянная сверху стеклянная трубка. В трубке над ртутью образуется так называемая торичеллиевая пустота. Воздух в зависимости от состояния обусловливает то или иное давление на ртуть, находящуюся в чашке. Таким образом, уровень ртути устанавливается на ту или иную высоту в стеклянной трубке. Именно данная высота будет уравновешивать давление воздуха на ртуть в чашке, а значит отражать атмосферное давление. Высоту уровня ртути, соответствующую атмосферному давлению, определяют по так называемой компенсированной шкале, имеющейся на металлической оправе барометра. Изготавливаются чашечные барометры со шкалами от 810 до 1110 мб и от 680 до 1110 мб. |
Рис. 35. Чашечный барометр (слева) А – шкала барометра; Б – винт; В – термометр; Г – чашечка со ртутью Ртутный сифонный барометр (справа) А – верхнее колено; В – нижнее колено; Д – нижняя шкала; Е – верхняя шкала; Н – термометр; а – отверстие в трубке |
В отдельных модификациях имеются две шкалы – в мм рт. ст. и мб. Десятые доли мм рт. ст. или мб отсчитываются по подвижной шкале – нониусу. Для этого необходимо винтом установить нулевое деление шкалы нониуса на одной линии с вершиной мениска ртутного столба, отсчитать число целых делений миллиметров ртутного столба по шкале барометра и число десятых до-лей миллиметра ртутного столба до первой отметки шкалы нониуса, совпадающей с делением основной шкалы.
Пример. Нулевое деление шкалы нониуса находится между 760 и 761 мм рт. ст. основной шкалы. Следовательно, число целых делений равно 760 мм рт. ст. К этой цифре необходимо прибавить число десятых долей миллиметра ртутного столба, отсчитанных по шкале нониуса. Первым с делением основной шкалы совпадает 4-е деление шкалы нониуса. Барометрическое давление равно 760 + 0,4 = 760,4 мм рт. ст.
Как правило, в чашечные барометры встроен термометр (ртутный или спиртовый в зависимости от предполагаемого диапазона температуры воздуха при исследованиях), так как для получения окончательного результата необходимо специальными расчетами привести давление к стандартным условиям температуры (0С) и барометрического давления (760 мм рт. ст.).
В чашечных экспедиционных барометрах перед наблюдением предварительно с помощью специального винта, расположенного в нижней части прибора, устанавливают уровень ртути в чашке на нулевую отметку.
Сифонные и сифонно-чашечные барометры (рисунок 35). В этих барометрах величина атмосферного давления измеряется по разнице высот ртутного столба в длинном (запаянном) и коротком (открытом) коленах трубки. Данный барометр позволяет производить измерение давления с точностью до 0,05мм рт. ст . При помощи винта в нижней части приборов уровень ртути в коротком (открытом) колене трубки приводят к нулевой точке, а затем отсчитывают показания барометра.
Сифонно-чашечный инспекторский барометр. Данный прибор имеет две шкалы: слева в мб и справа в мм рт. ст. Для определения десятых долей мм рт. ст. служит нониус. Найденные значения атмосферного давления, как и при работе с другими жидкостными барометрами, необходимо с помощью вычислений или специальных таблиц привести к 0С.
На метеорологических станциях в показания барометров вводят не только температурную поправку, но и так называемую постоянную поправку: инструментальную и поправку на силу тяжести.
Устанавливать барометры следует в отдалении или изолированно от источников теплового излучения (солнечное излучение, нагревательные приборы), а также в отдалении от дверей и окон.
Металлический барометр-анероид (рисунок 36). Данный прибор особенно удобен при проведении исследований в экспедиционных условиях. Однако этот барометр перед использованием должен быть выверен по более точному ртутному барометру.
Рис. 36. Барометр-анероид |
Рис. 37. Барограф |
Принцип устройства и действия барометра-анероида очень прост. Металлическая подушечка (коробка) с гофрированными (для большей эластичности) стенками, из которой удален воздух до остаточного давления 50-60 мм рт. ст., под воздействием давления воздуха изменяет свой объем и в результате деформируется. Деформация передается по системе рычажков стрелке, которая и указывает на циферблате атмосферное давление. На циферблате барометра анероида вмонтирован изогнутой формы термометр в связи с необходимостью, как указывалось выше, приведения результатов измерения к 0С. Градуировка циферблата может быть в мб или в мм рт. ст. В некоторых модификациях барометра-анероида имеются две шкалы – как в мб, так и в мм рт. ст.
Анероид-высотомер (альтиметр). В измерении высоты по уровню атмосферного давления заложена закономерность, согласно которой между давлением воздуха и высотой имеется зависимость, весьма близкая к линейной. То есть при подъеме на высоту пропорционально снижается атмосферное давление.
Данный прибор предназначен для измерения атмосферного давления именно на высоте и имеет две шкалы. На одной из них нанесены величины давления в мм рт. ст. или мб, на другой – высота в метрах. На летательных аппаратах применяют альтиметры с циферблатом, на котором по шкале определяется высота полета.
Барограф (барометр-самописец). Данный прибор предназначен для непрерывной регистрации атмосферного давления. В гигиенической практике применяются металлические (анероидные) барографы (рисунок 37). Под влиянием изменений атмосферного давления пакет соединенных вместе анероидных коробок в результате деформации оказывает влияние на систему рычажков, а через них на специальное перо с незасыхающими специальными чернилами. При увеличении атмосферного давления анероидные коробки сжимаются и рычажок с пером поднимается кверху. При уменьшении давления анероидные коробки с помощью помещенных внутри их пружин расширяются и перо чертит линию книзу. Запись давления в виде непрерывной линии вычерчивается пером на градуированной в мм рт. ст. или мб бумажной ленте, помещенной на цилиндрический вращающийся с помощью механического завода барабан. Используются барографы с недельным или суточным заводом с соответствующими градуированными лентами в зависимости от цели, задач и характера исследований. Выпускаются барографы с электрическим приводом, вращающим барабан. Однако на практике данная модификация прибора менее удобна, так как ограничивается его использование в экспедиционных условиях. Для устранения температурных влияний на показания барографа в них вставляется биметаллические компенсаторы, автоматически осуществляющие коррекцию (поправку) движения рычажков в зависимости от температуры воздуха. Перед началом работы рычажок с пером с помощью специального винта устанавливается в исходное положение, соответствующее времени, обозначенном на ленте и на уровень давления, измеренный точным ртутным барометром.
Чернила для записи барограмм можно приготовить по следующей прописи:
Приведение объема воздуха к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0 С). Данный аспект измерения барометрического давления весьма важен при измерении концентраций загрязняющих веществ в воздухе. Игнорирование указанного аспекта может обусловить значительные ошибки в расчетах концентраций вредных веществ, которые могут достигать 30 и более процентов.
Приведение объема воздуха к нормальным условиям производится по формуле:
Пример . Для измерения концентрации пыли в воздухе через бумажный фильтр с помощью электрического аспиратора пропущено 200 л воздуха. Температура воздуха в период его аспирации составляла- +26 С, барометрическое давление - 752 мм рт. ст. Необходимо привести объем воздуха к нормальным условиям, то есть к 0С и 760 мм рт. ст.
Подставляем в формулу Х значения соответствующих параметров примера и рассчитываем искомый объем воздуха при нормальных условиях:
Таким образом, при расчете концентрации пыли в воздухе необходимо учитывать объем воздуха именно 180,69 л , а не 200л .
Для упрощения расчетов объема воздуха при нормальных условиях можно пользоваться поправочными коэффициентами на температуру и давление (таблица 25) или рассчитанными готовыми величинами формулы 39 и(таблица 26).
Таблица 25
Поправочные коэффициенты на температуру и давление для приведения объема воздуха к нормальным условиям
(температура 0 о
Барометрическое давление, мм рт. ст. |
||||||||
Окончание таблицы 25
Барометрическое давление, мм рт. ст. |
||||||||
Таблица 26
Коэффициенты для приведения объемов воздуха к нормальным условиям
(температура 0 о С, барометрическое давление 760 мм рт. ст.)
мм рт. ст. |
мм рт. ст. | ||||||
Всякий газ оказывает давление на ограничивающие его стенки. Давление - результирующая сила ударов молекул об ограничивающие стенки, направленная нормально (перпендикулярно) к этим стенкам.
Т.к. давление газа обусловлено движением молекул, то чем выше скорость движения молекул, тем выше давление. Это высказывание справедливо, если объем, который занимает газ, не меняется. Давление атмосферы есть в любой её точке. В международной системе единиц давление измеряется в паскалях. 1 Па - это давление силой 1Н деленное на 1 м2.
До паскаля использовался миллибар - мбар. 1 мбар = 100 Па. Давление в 1 мм.рт.ст. - вес столба ртути высотой 1 мм на уровне моря на широте 45 . 1 мм.рт.ст. = 4/3 гПа. Норма - 760 мм.рт.ст. = 1013,3 гПа на уровне моря. Чем выше над уровнем моря, тем ниже давление.
Приборы для измерения давления :
Делятся на 3 основных вида: ртутные барометры,ртутные анероиды и гипсотермометры.
Ртутные барометры наиболее точные, поэтому их используют в метеорологии. Но они очень громоздкие. Ртутные барометры могут быть: чашечными, сифоно-чашечными(по форме сосуда, в котором содержится ртуть).Ртутный барометр был изобретен Татчелли.
Чашечный барометр. Устройство.
Стеклянная трубка, заполненная ртутью, запаянная. Она погружена в металлический сосуд с ртутью. Воздух в верхней части трубки отсутствует, поэтому под действием внешнего давления на поверхность чашки, столбик ртути в трубке поднимается до определённой высоты. Вес столба ртути будет равен атмосферному давлению. Трубка помещена в металлическую оправу, вверху которой сделан разрез, с помощью которого можно наблюдать положение ртути в трубке. В этом месте на нём нанесена шкала в мм.рт.ст. В средней части оправы вмонтирован термометр. Поправки: 1) температурная, 2)на ускорение, 3) инструментальная
- стандартная температура 0С. Если показания берутся выше, показатели будут завышенные. Температурная поправка со знаком »-».
- сила тяжести зависит от широты. Стандартная широта 45. Если станция находится ближе, то показания будут завышенные. Зависит от высоты над уровнем моря. Чем выше, тем показатели меньше
- нужна для корректировки неточностей. Эту поправку указывают в паспорте для барометра.
Барометр анероид Безжидкостный прибор. Принцип действия: основан на упругой деформации приёмника под влиянием изменения атмосферного давления. В качестве приёмника берётся металлическая коробка с гофрированным дном и крышкой. Воздух выкачан. Там существует пружина, которая оттягивает крышку коробки и не даёт ей сплющиться. При повышении давления, крышка будет сильнее вдавливаться в коробку, а при уменьшении - выпячиваться. Поправки: 1) шкаловая. На инструментальные неточности.2) температурная. Для компенсации упругих св-в коробки и пружины, при изменении температуры окружающей среды.3) добавочная. Для компенсации постепенных изменений внутренней структуры металла, пружины и коробки.
Гипсотермометр Измерение атмосферного давления основано на зависимости температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Состоит из специального кипятильника и термометра. Кипятильник представляет собой металлический сосуд, заполненный дистиллированной водой. Сверху располаг ается металлическая трубка с двойными стенками, термометр помещается внутрь этой трубки и омывается парами кипящей воды. Воду в кипятильнике нагревают с помощью спиртовки.
Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. Давление определяется весом столба атмосферного воздуха, давящего на данный участок поверхности Земли. Поскольку на больших высотах над уровнем моря, например, на вершине горы, слой вышележащего воздуха тоньше, атмосферное давление уменьшается с высотой. Атмосферное давление также изменяется при перемещении воздушных масс, образующих холодные и теплые атмосферные фронты. Поэтому можно предсказывать погоду по показаниям барометра.
В настоящее время применяются два основных типа барометров: ртутные и анероиды. В ртутном барометре, изобретенном в 1643 году итальянским ученым Эванжелиста Торричелли (Evangelista Torricelli), основным элементом является стеклянная трубка, заполненная ртутью, столбик которой поднимается и опускается по мере того, как атмосферное давление увеличивается или уменьшается. Барометр-анероид, похожий на тот, что показан на рисунке справа, был изобретен в 1843 году французским ученым Люсьеном Види (Lucien Vidie). Основной частью анероида является небольшая гофрированная металлическая мембранная коробка, из которой практически полностью выкачан воздух (схема внизу). При изменении атмосферного давления мембранная коробка расширяется или сжимается. Чувствительный механизм преобразует перемещение мембран в круговое движение стрелки, показывающей величину давления на шкале прибора.
Внутреннее устройство барометра-анероида
Серия рычагов внутри барометра усиливает небольшие перемещения при расширении и сжатии мембранной коробки. Большинство барометров-анероидов имеет менее 20 см в поперечнике.
(Рисунок вверху статьи)
Тонкое пишущее перо барографа осуществляет непрерывную запись атмосферного давления на вращающемся барабане.
Изменение атмосферного давления заставляет ртуть в трубках подниматься или опускаться. Высота столбиков ртути зависит только от атмосферного давления, диаметр и форма трубок значения не имеют. На уровне моря столбик ртути поднимается на 760 миллиметров.
Два простых металлических полушария демонстрируют существование атмосферного давления. После того как из полушарий выкачан весь воздух и в них образовался вакуум, атмосферное давление делает невозможным их разъединение.