Вес воздуха. Атмосферное давление. Причина появления атмосферного давления
«В ней живем, движемся и существуем»
К. Фламмарион «Атмосфера»
Данная тема посвящена ответу на вопросы: Обладают ли газы весом? Что такое атмосферное давление и каковы причины его появления?
Все без исключения процессы не только живой, но и неживой природы, происходят при участии атмосферы. Она дает дыхание и жизнь всему живому; она с нами при нашем рождении и нашей смерти. Глубокая лазурь южного неба и зеленый блеск полярного сияния; тишина майского вечера и быстрый ураган; обжигающий самум и прохладный ветер, несущий дождь — все это родится в атмосфере и атмосферой.
Известно, что жидкость имеет вес. Все ощущали вес, держа в руке ведро воды, бутылку масла или напитка.
Однако мы не чувствуем изменения веса футбольного мяча при его накачивании воздухом. Почему?
Для ответа на этот вопрос обратимся к таблице плотностей жидкостей и газов. Если сравнить плотность воды и плотность воздуха, то можно заметить, что плотность воздуха почти в 800 раз меньше плотности воды.
Так вот, расчеты показывают, что, например, в сильно накаченном мяче вес воздуха находится в пределах 0,1 Н, а его масса составляет около 10 г. Человек, при дыхании за сутки пропускает через себя порядка 20 — 30 кг воздуха, что не так уж и мало.
Покажем на опыте наличие у воздуха массы, а, следовательно, и веса. Для этого возьмем прочный стеклянный шар, заполненный воздухом, и уравновесим его на весах.
Теперь откачаем из шара насосом воздух и взвесим его повторно. Как видно из рисунка, он стал легче.
Добавляя на чашку весов с сосудом разновес, можно узнать массу откачанного воздуха и, соответственно, его вес.
Воздушный слой, окружающий нашу Землю, называют атмосферой (от греческого атмос — пар, воздух, и сфера — шар). Она тоже имеет вес. Молекулы земной атмосферы, если бы на них не действовала сила тяжести, двигаясь хаотично, давно покинули бы нашу планету. Но тяготение Земли стремится расположить их у поверхности, в результате чего молекулы газов «парят» в пространстве вокруг Земли, тем самым, создавая атмосферу нашей планеты. Расчеты показывают, что плотность воздушной оболочки нашей планеты весьма не однородна и заметно убывает с высотой.
Так, на высоте 5,5 км плотность воздуха уже в два раза меньше, чем у поверхности Земли. На высоте 40 км она равна 0,004 кг/м3, а на высоте в 400 км, где летают спутники, об атмосфере можно говорить лишь условно, так как ее плотность очень маленькая — около 3×10–12 кг/м3.
В атмосферу Земли входят такие газы, как азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы.
Известно, что всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А вот производит ли давление атмосфера Земли? Если да, то чем оно обусловлено? Атмосфера удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на слои, располагающиеся ниже. Поэтому самый нижний слой оказывается наиболее сжатым. Согласно закону Паскаля, давление одного слоя на другой передается по всем направлениям и действует на любое тело — на дома, растительный и животный мир, на людей. Это давление называется атмосферным давлением.
Атмосферное давление можно рассчитать теоретически. Результаты этих расчетов буквально ошеломляют — атмосферное давление оказывается равным примерно 100 000 Н/м2 (Па). Таким образом, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила в 10 Н, а на всю площадь поверхности тела (примем ее равной 1 квадратный метр) — сила в 100 000 Н. А это равно весу десятитонного КАМАЗа!
Как же люди живут под таким гигантским давлением? Вспомним упомянутых ранее глубоководных рыб. Подобно им, люди просто не замечают этой гигантской сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха, который есть внутри любого человека, он даже растворен в нашей крови.
Можно ли обнаружить атмосферное давление? Для ответа на это вопрос обратимся к опыту. Возьмем сосуд с водой, накроем его листом бумаги и, придерживая рукой лист, перевернем сосуд. А затем уберем руку. Вода не выливается, а лист не отрывается от сосуда. Значит, сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие силы гидростатического давления налитой в сосуд воды.
Опустите иглу шприца в жидкость и поднимайте поршень вверх. Можно увидеть, что жидкость поднимается вслед за поршнем, противоположно направлению действия силы тяжести. Происходит это потому, что при подъеме поршня между ним и жидкостью образуется безвоздушное пространство. В это пространство под давлением наружного воздуха и поднимается вслед за поршнем жидкость.
В 1654 году в Регенсбурге немецким ученым Отто фон Герике в присутствии короля германии Фердинанда III проводился опыт-спектакль, в котором участвовали почти все жители города и 16 лошадей. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачен воздух. Восемь пар самых сильных лошадей не смогли разорвать полушария. В 1656 году Герике повторял свой эксперимент в Магдебурге, а в 1663 в Берлине с 24 лошадьми.
Более поздние расчеты показали, что для разрыва полушарий необходимо было впрячь 13 сильных ломовых лошадей с каждой стороны. При этом разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.
Упражнения.
Задача 1. Кубик с ребром, равным 50 мм и массой 900 г лежит на дне сосуда, в который налита вода на высоту 15 см. Определите вертикальную силу, которую надо приложить в центре верхней грани кубика, чтобы оторвать его от дна. Считайте, что вода не проникает под кубик. Атмосферное давление равно 101 кПа, а коэффициент g примите равным 10 Н/кг.
Основные выводы:
– Газы обладают массой и весом.
– Земная атмосфера обладает весом вследствие действия на нее притяжения Земли, и, следовательно, и производит давление, которое называется атмосферным давлением.
– Действие силы тяжести и хаотичное движение молекул воздуха приводит к тому, что плотность земной атмосферы неодинакова и сильно зависит от высоты.
