§42 Вес воздуха. Атмосферное давление

Определения и обозначения

Вес воздуха — сила, с которой воздух из-за притяжения Земли действует на опору или подвес. Воздух состоит из частиц, а Земля притягивает эти частицы, поэтому у воздуха есть масса и вес. Это понятие помогает объяснить, почему воздух способен давить на предметы.

Атмосферное давление — давление, которое атмосферный воздух оказывает на поверхность Земли и находящиеся на ней тела. Давление показывает, как действует сила на единицу площади, поэтому его нельзя путать с весом воздуха. Понятие нужно, чтобы описывать действие окружающей нас атмосферы.

Барометр — прибор для измерения атмосферного давления. В жидкостном барометре давление определяют по высоте столба жидкости, который уравновешивает давление воздуха. Такой прибор позволяет сравнивать давление в разное время и в разных местах.

Нормальное атмосферное давление — принятое за стандарт у поверхности моря давление, равное 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па. «Мм рт. ст.» означает миллиметры ртутного столба, а Па — паскали, единицы давления. Стандартное значение служит точкой сравнения для показаний барометра.

Как это устроено

Воздух состоит из мельчайших частиц, и притяжение Земли действует на них так же, как на частицы твёрдых тел и жидкостей. Поэтому воздух обладает массой и весом, хотя его обычно не видно и вес наполненного воздухом пространства трудно заметить. В повседневной жизни мы не ощущаем его отдельно, потому что воздух окружает нас постоянно. Наличие веса у воздуха объясняет, почему атмосфера может создавать давление.

Землю окружает атмосфера — слой воздуха, удерживаемый притяжением Земли. Верхние слои давят на нижние, а нижние передают это действие находящимся рядом телам и поверхности. Давление в газе передаётся во все стороны, поэтому оно действует не только сверху вниз. Так атмосферный воздух оказывает давление на предметы, погружённые в атмосферу.

Действие воздуха можно обнаружить с помощью стакана, воды и листа бумаги. Наполните стакан водой, накройте его листом и осторожно переверните: лист останется на месте, а вода не выльется. Воздух снизу давит на лист вверх и удерживает его; внутри стакана вода давит на лист вниз. Опыт показывает, что атмосферное давление реально действует на поверхности, а не является только отвлечённым понятием.

В опыте Торричелли стеклянную трубку, запаянную с одного конца, заполняют ртутью и переворачивают открытым концом в сосуд с ртутью. Часть ртути вытекает, но в трубке остаётся столб. Воздух давит на поверхность ртути в сосуде, а столб ртути давит на неё с другой стороны; равновесие устанавливается, когда эти давления сравниваются. Поэтому высота столба позволяет судить о величине атмосферного давления.

В жидкостном барометре изменение давления воздуха приводит к изменению высоты ртутного столба: при большем давлении столб выше, при меньшем — ниже. Наблюдая за показаниями барометра, можно заметить перемены давления, связанные с изменением погоды. Давление зависит и от высоты: чем выше над Землёй, тем меньше воздуха находится над человеком и тем слабее обычно его давление. Поэтому в горах барометр показывает меньшее значение, чем у подножия.

Способы обнаружения и измерения атмосферного давления

Сначала выберите в таблице опыт или прибор, который отвечает на нужный вопрос: обнаруживает давление или измеряет его. Затем проследите, что именно уравновешивается и что наблюдают. Нормальное давление используйте как ориентир для сравнения показаний барометра.

Разбор задач

Задача 1. В опыте Торричелли высота столба ртути равна 760 мм. Какому атмосферному давлению соответствует этот результат? Нужно связать показание с принятым стандартом. Высота ртути здесь не означает высоту атмосферы: это столб, уравновешивающий давление воздуха.

1. Вспомним, что нормальному атмосферному давлению соответствует столб ртути высотой 760 мм.
2. Сравним данную высоту с нормальной: 760 мм = 760 мм.
3. Следовательно, давление равно нормальному атмосферному давлению.

Ответ: 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па.

Задача 2. Барометр показывает 740 мм рт. ст. Выразите давление в паскалях, если 760 мм рт. ст. ≈ 101 300 Па. Поскольку величины пропорциональны, отношение показания к 760 равно отношению искомого давления к 101 300 Па. Сначала составим пропорцию, затем найдём неизвестное значение.

1. Запишем пропорцию: p / 101 300 Па = 740 / 760.
2. Выразим давление: p = 101 300 · 740 / 760 Па.
3. Вычислим: p ≈ 98 633 Па, округлим до целых паскалей.

Ответ: примерно 98 633 Па, или около 98 600 Па.

Задача 3. У подножия горы барометр показывает 760 мм рт. ст., а на вершине — 700 мм рт. ст. Где давление больше и на сколько? Для сравнения вычтем меньшее показание из большего. Затем свяжем результат с высотой расположения точек.

1. У подножия показание равно 760 мм рт. ст., на вершине — 700 мм рт. ст.
2. Найдём разность: 760 − 700 = 60 мм рт. ст.
3. Большее показание соответствует большему давлению, поэтому давление выше у подножия.

Ответ: у подножия давление больше на 60 мм рт. ст.; на вершине оно меньше из-за большей высоты.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что воздух не имеет веса, потому что его нельзя увидеть и обычно не ощущается его действие. Невидимость не означает отсутствия массы: воздух состоит из частиц, на которые действует притяжение Земли. Проверь себя вопросом: может ли газ, состоящий из частиц, иметь массу? Да, поэтому у него есть и вес.

Ошибка — путать вес воздуха с атмосферным давлением. Вес — сила, а давление описывает действие силы на единицу площади, поэтому это связанные, но разные величины. Их часто смешивают, потому что давление создаётся весом воздуха. Проверь себя: если спрашивают, какова сила, речь о весе; если о действии на поверхность — о давлении.

Ошибка — объяснять опыт Торричелли только пустотой в трубке. Важно учитывать, что атмосферный воздух давит на ртуть в сосуде и уравновешивает столб ртути в трубке. Ошибку можно проверить, спросив, что удерживает столб: ответом должно быть давление воздуха, а не сама пустота над ртутью.

Ошибка — считать 760 мм рт. ст. высотой атмосферы. Это высота столба ртути, уравновешивающего атмосферное давление при нормальных условиях, а не размер воздушной оболочки Земли. Чтобы проверить себя, уточни, какой именно столб измеряют в опыте Торричелли: ртутный столб в трубке.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о силе тяжести, весе тела, давлении и единицах его измерения. Понятие давления пригодится при изучении давления жидкостей и газов, а также при решении задач на сообщающиеся сосуды. Атмосферное давление помогает объяснить работу барометра и изменения погоды. Зависимость давления от высоты связана с особенностями дыхания в горах.

Что запомнить

• Воздух имеет вес, потому что притягивается Землёй.
• Атмосферное давление создаётся воздухом, окружающим Землю.
• Давление воздуха действует на тела и передаётся во все стороны.
• В опыте Торричелли атмосферное давление уравновешивает столб ртути.
• Барометр служит для измерения атмосферного давления.
• Нормальное атмосферное давление равно 760 мм рт. ст., или примерно 101 300 Па.
• С высотой атмосферное давление обычно уменьшается.