Ze samotného pojmu "atmosférický tlak" vyplývá, že vzduch musí mít váhu, jinak by nemohl na nic tlačit. Ale my si toho nevšimneme, zdá se nám, že vzduch je beztížný. Než budete mluvit o atmosférickém tlaku, musíte dokázat, že vzduch má váhu, musíte ho nějak zvážit. Jak to udělat? Hmotnost vzduchu a atmosférický tlak budeme podrobně zvažovat v článku a studovat je pomocí experimentů.
Zkušenosti
Zvážíme vzduch ve skleněné nádobě. Do nádoby se dostává pryžovou hadičkou v hrdle. Ventil uzavře hadici, aby do ní nevnikl vzduch. Vzduch z nádoby odstraníme pomocí vývěvy. Zajímavé je, že jak pumpování postupuje, zvuk pumpy se mění. Čím méně vzduchu zůstane v baňce, tím tišší chod čerpadla. Čím déle vzduch odčerpáváme, tím nižší je tlak v nádobě.
Když je všechen vzduch odstraněn,zavřete kohoutek, sevřete hadici, abyste zablokovali přívod vzduchu. Zvažte baňku bez vzduchu a poté otevřete kohoutek. Vzduch vstoupí s charakteristickým hvizdem a jeho hmotnost se připočte k hmotnosti baňky.
Nejprve položte na váhu prázdnou nádobu s uzavřeným kohoutkem. Uvnitř nádoby je vakuum, pojďme to zvážit. Otevřeme kohoutek, vzduch půjde dovnitř a znovu zvážíme obsah baňky. Rozdíl mezi hmotností naplněné a prázdné baňky bude hmotnost vzduchu. Je to jednoduché.
Hmotnost vzduchu a atmosférický tlak
Nyní přejdeme k řešení dalšího problému. Chcete-li vypočítat hustotu vzduchu, musíte vydělit jeho hmotnost objemem. Objem baňky je znám, protože je vyznačen na boku baňky. ρ=mvzduch /V. Musím říci, že k získání tzv. vysokého vakua, tedy úplné nepřítomnosti vzduchu v nádobě, potřebujete hodně času. Pokud má baňka 1,2 l, je to asi půl hodiny.
Zjistili jsme, že vzduch má hmotnost. Země ho táhne, a proto na něj působí gravitační síla. Vzduch tlačí dolů na zem silou rovnající se váze vzduchu. Atmosférický tlak tedy existuje. Projevuje se to různými experimenty. Pojďme udělat jeden z těchto.
Experiment se stříkačkou
Vezměte prázdnou injekční stříkačku, ke které je připojena ohebná hadička. Sklopte píst stříkačky a ponořte hadici do nádoby s vodou. Vytáhněte píst nahoru a voda začne stoupat trubicí a naplní stříkačku. Proč voda, která je stahována dolů gravitací, stále stoupá za pístem?
V cévě je ovlivněna shora dolůAtmosférický tlak. Označme to Patm. Podle Pascalova zákona se tlak, kterým působí atmosféra na povrch kapaliny, přenáší beze změny. Šíří se do všech bodů, což znamená, že uvnitř trubice je také atmosférický tlak a ve stříkačce nad vrstvou vody je vakuum (bezvzduchový prostor), tedy P=0. Ukazuje se tedy, že na vodu zespodu tlačí atmosférický tlak, ale nad pístem není žádný tlak, protože je tam prázdnota. Kvůli rozdílu tlaku se voda dostává do stříkačky.
Experiment se rtutí
Hmotnost vzduchu a barometrický tlak – jak velké jsou? Možná je to něco, co lze zanedbat? Koneckonců, jeden metr krychlový železa má hmotnost 7600 kg a jeden metr krychlový vzduchu - pouze 1,3 kg. Abychom to pochopili, upravme experiment, který jsme právě provedli. Místo injekční stříkačky vezměte lahvičku uzavřenou korkem s hadičkou. Připojte hadici k čerpadlu a začněte čerpat vzduch.
Na rozdíl od předchozí zkušenosti nevytváříme podtlak pod pístem, ale v celém objemu láhve. Vypněte čerpadlo a současně spusťte trubici láhve do nádoby s vodou. Uvidíme, jak voda během pár sekund naplnila láhev skrz trubici s charakteristickým zvukem. Vysoká rychlost, s jakou „vtrhla“do láhve, naznačuje, že atmosférický tlak je poměrně velká hodnota. Zkušenosti to dokazují.
Poprvé změřil atmosférický tlak, váhu vzduchu italský vědec Torricelli. Měl takovou zkušenost. Vzal jsem skleněnou trubici dlouhou něco málo přes 1 m, na jednom konci utěsněnou. Naplnili ho rtutí až po okraj. PoPotom vzal nádobku se rtutí, prstem sevřel její otevřený konec, trubici otočil a ponořil do nádoby. Kdyby nebyl atmosférický tlak, veškerá rtuť by se vylila, ale to se nestalo. Částečně se vylilo, hladina rtuti se ustálila ve výšce 760 mm.
Stalo se to, protože atmosféra tlačila na rtuť v nádobě. Z tohoto důvodu v našich předchozích experimentech byla voda vháněna do trubice, a proto voda následovala stříkačku. Ale v těchto dvou experimentech jsme vzali vodu, jejíž hustota je nízká. Rtuť má vysokou hustotu, takže atmosférický tlak dokázal rtuť zvednout, ale ne úplně nahoru, ale pouze o 760 mm.
Podle Pascalova zákona se tlak vyvíjený na rtuť přenáší do všech jejích bodů beze změny. To znamená, že uvnitř trubice je také atmosférický tlak. Ale na druhou stranu je tento tlak vyvážen tlakem sloupce kapaliny. Označme výšku rtuťového sloupce jako h. Dá se říci, že atmosférický tlak působí zdola nahoru a hydrostatický tlak shora dolů. Zbývajících 240 mm je prázdných. Mimochodem, toto vakuum se také nazývá Torricelliho prázdnota.
Vzorec a výpočty
Atmosférický tlak Patm se rovná hydrostatickému tlaku a vypočítá se podle vzorce ρptgh. ρpt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 m. Patm=101,3 kPa. To je poměrně velká částka. List papíru ležící na stole vytváří tlak 1 Pa a atmosférický tlak je 100 000 pascalů. Ukazuje se, že musíte dát100 000 listů papíru jeden na druhém k vytvoření takového tlaku. Zajímavé, že? Atmosférický tlak a hmotnost vzduchu jsou velmi vysoké, takže voda byla během experimentu vtlačena do láhve takovou silou.
