Juba "atmosfäärirõhu" mõistest tuleneb, et õhul peab olema kaal, vastasel juhul ei saaks see millelegi survet avaldada. Kuid me ei pane seda tähele, meile tundub, et õhk on kaalutu. Enne õhurõhust rääkimist peate tõestama, et õhul on kaal, peate seda kuidagi kaaluma. Kuidas seda teha? Artiklis käsitleme üksikasjalikult õhukaalu ja atmosfäärirõhku, uurides neid katsete abil.
Kogemus
Kaalume õhku klaasnõus. See siseneb anumasse läbi kaelas oleva kummitoru. Klapp sulgeb vooliku nii, et õhk sellesse ei satuks. Õhu eemaldame anumast vaakumpumba abil. Huvitav on see, et pumpamise edenedes pumba heli muutub. Mida vähem õhku jääb kolbi, seda vaiksem alt pump töötab. Mida kauem me õhku välja pumpame, seda madalamaks muutub rõhk anumas.
Kui kogu õhk eemaldatakse,sulgege kraan, pigistage voolikut õhu juurdevoolu blokeerimiseks. Kaaluge kolb ilma õhuta, seejärel avage kraan. Õhk siseneb iseloomuliku vilega ja selle kaal lisatakse kolvi kaalule.
Esm alt asetage kaalule tühi anum suletud kraaniga. Anuma sees on vaakum, kaalume ära. Avame kraani, õhk läheb sisse ja kaalume uuesti kolvi sisu. Täidetud ja tühja kolvi massi erinevus on õhumass. See on lihtne.
Õhukaal ja atmosfäärirõhk
Nüüd jätkame järgmise probleemi lahendamisega. Õhu tiheduse arvutamiseks peate jagama selle massi mahu järgi. Kolvi maht on teada, kuna see on märgitud kolvi küljele. ρ=mõhk /V. Pean ütlema, et nn kõrgvaakumi saamiseks, st õhu täielikuks puudumiseks anumas, on vaja palju aega. Kui kolb on 1,2-liitrine, on see umbes pool tundi.
Saime teada, et õhul on mass. Maa tõmbab seda ja seetõttu mõjub sellele gravitatsioonijõud. Õhk surub maapinnale alla jõuga, mis on võrdne õhu kaaluga. Seega on atmosfäärirõhk olemas. See väljendub erinevates katsetes. Teeme ühe neist.
Süstlakatse
Võtke tühi süstal, mille külge on kinnitatud painduv toru. Langetage süstla kolb ja kastke voolik veeanumasse. Tõmmake kolb üles ja vesi hakkab läbi toru tõusma, täites süstla. Miks tõuseb vesi, mida gravitatsioon alla tõmbab, ikkagi kolvi taga?
Soones on see mõjutatud ül alt allaAtmosfääri rõhk. Tähistame seda Patm. Pascali seaduse kohaselt kandub rõhk, mida atmosfäär vedeliku pinnale avaldab, muutumatul kujul. See levib kõikidesse punktidesse, mis tähendab, et toru sees on ka atmosfäärirõhk ning veekihi kohal on süstlas vaakum (õhuvaba ruum), st P=0. Nii selgub, et atmosfäärirõhk vajutab vett altpoolt, aga kolvi kohal pole rõhku, sest seal on tühjus. Rõhu erinevuse tõttu satub süstlasse vesi.
Katse elavhõbedaga
Õhukaal ja õhurõhk – kui suured need on? Võib-olla on see midagi, mille võib tähelepanuta jätta? Lõppude lõpuks on ühe kuupmeetri raua mass 7600 kg ja ühe kuupmeetri õhu mass ainult 1,3 kg. Et mõista, muutkem äsja läbiviidud katset. Süstla asemel võtke toruga korgiga suletud pudel. Ühendage toru pumbaga ja alustage õhu pumpamist.
Erinev alt varasemast kogemusest ei tekita me vaakumit mitte kolvi alla, vaid kogu pudeli mahus. Lülitage pump välja ja langetage samal ajal pudeli toru veenõusse. Näeme, kuidas vesi täitis pudeli läbi toru vaid mõne sekundiga iseloomuliku heliga. Suur kiirus, millega ta pudelisse "purskas", näitab, et atmosfäärirõhk on üsna suur väärtus. Kogemused kinnitavad seda.
Esimest korda mõõdeti õhurõhku, Itaalia teadlase Torricelli õhu massi. Tal oli selline kogemus. Võtsin veidi üle 1 m pikkuse klaastoru, ühest otsast pitseeritud. Täitis see ääreni elavhõbedaga. PärastSeejärel võttis ta elavhõbedat sisaldava anuma, pigistas selle lahtist otsa sõrmega, keeras toru ümber ja kastis anumasse. Kui atmosfäärirõhku poleks olnud, oleks kogu elavhõbe välja voolanud, kuid seda ei juhtunud. See valas osaliselt välja, elavhõbeda tase langes 760 mm kõrgusele.
See juhtus seetõttu, et atmosfäär surus anumas elavhõbedale peale. Just sel põhjusel juhiti meie eelmistes katsetes vett torusse, mistõttu vesi järgnes süstlale. Kuid nendes kahes katses võtsime vett, mille tihedus on madal. Elavhõbedal on suur tihedus, nii et atmosfäärirõhk suutis elavhõbeda taset tõsta, kuid mitte kõige kõrgemale, vaid ainult 760 mm.
Vastav alt Pascali seadusele kandub elavhõbedale avaldatav surve muutumatul kujul edasi kõikidesse selle punktidesse. See tähendab, et toru sees on ka atmosfäärirõhk. Kuid teisest küljest tasakaalustab seda rõhku vedelikusamba rõhk. Tähistame elavhõbedasamba kõrgust h-ga. Võib öelda, et atmosfäärirõhk toimib alt üles ja hüdrostaatiline rõhk ül alt alla. Ülejäänud 240 mm on tühi. Muide, seda vaakumit nimetatakse ka Torricelli tühjuseks.
Valem ja arvutused
Atmosfäärirõhk Patm võrdub hüdrostaatilise rõhuga ja arvutatakse valemiga ρptgh. ρpt=13600 kg/m3. g=9,8 N/kg. h=0,76 m Patm=101,3 kPa. See on üsna suur summa. Laual lebav paberileht tekitab rõhu 1 Pa ja atmosfäärirõhk on 100 000 paskalit. Selgub, et peate panemaSellise surve tekitamiseks asetage üksteise peale 100 000 paberilehte. Uudishimulik, kas pole? Atmosfäärirõhk ja õhu kaal on väga kõrged, nii et katse ajal suruti vett pudelisse sellise jõuga.
