Torricelli-Experiment Messungen des atmosphärischen Drucks, Bedeutung

1668
David Holt

Das Torricellis Experiment Es wurde 1644 vom italienischen Physiker und Mathematiker Evangelista Torricelli durchgeführt und führte zur ersten Messung des atmosphärischen Drucks.

Dieses Experiment entstand aus der Notwendigkeit, die Wasserversorgung in Städten zu verbessern. Evangelista Torricelli (1608-1647), Hofmathematiker des Großherzogs der Toskana Ferdinand II., Hatte zusammen mit Galileo hydraulische Phänomene untersucht.

Figure 1. Torricellis Experiment, bei dem die Quecksilbersäule aufgrund des atmosphärischen Drucks um 760 mm ansteigt. Quelle: F. Zapata.

Artikelverzeichnis

  • 1 Das Experiment
  • 2 Die Messung des atmosphärischen Drucks
    • 2.1 Das Torricelli-Barometer
  • 3 Bedeutung des atmosphärischen Drucks für das Klima
    • 3.1 Torr und andere Einheiten für Druck
    • 3.2 Höhenmesser
  • 4 Referenzen

Das Experiment

Im Jahr 1644 machte Torricelli das folgende Experiment:

- Er führte Quecksilber in ein 1 m langes Rohr ein, das an einem Ende offen und am anderen geschlossen war..

- Als die Röhre vollständig gefüllt war, drehte er sie um und warf sie in einen Behälter, der auch Quecksilber enthielt..

- Torricelli beobachtete, dass die Säule bei etwa 76 cm Höhe abstieg und anhielt.

- Er erkannte auch, dass in dem Raum, der frei, aber nicht perfekt war, ein Vakuum erzeugt worden war..

Torricelli wiederholte das Experiment mit verschiedenen Röhrchen. Er machte sogar eine kleine Variation: Er fügte Wasser in den Eimer, der, da er leichter war, auf dem Quecksilber schwebte. Dann hob er langsam das quecksilberhaltige Röhrchen an die Wasseroberfläche..

Dann ging das Quecksilber runter und das Wasser stieg. Das erhaltene Vakuum war, wie wir bereits gesagt haben, nicht perfekt, da es immer Reste von Quecksilberdampf oder Wasser gab.

Die Messung des atmosphärischen Drucks

Die Atmosphäre ist ein Gemisch von Gasen, in denen Stickstoff und Sauerstoff vorherrschen, mit Spuren anderer Gase wie Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Wasserdampf und Ozon..

Die von der Erde ausgeübte Anziehungskraft ist dafür verantwortlich, dass die gesamte Umgebung des Planeten erhalten bleibt.

Natürlich ist weder die Zusammensetzung noch die Dichte einheitlich, da sie von der Temperatur abhängt. In der Nähe der Oberfläche gibt es eine gute Menge an Staub, Sand und Schadstoffen, die durch Naturereignisse und auch durch menschliche Aktivitäten verursacht wurden. Die schwersten Moleküle sind näher am Boden.

Da es so viele Schwankungen gibt, ist es notwendig, eine Referenzhöhe für den atmosphärischen Druck zu wählen, die der Einfachheit halber als Meeresspiegel angenommen wurde.

Hier ist es nicht irgendein Meeresspiegel, denn das bringt auch Schwankungen mit sich. Das Niveau o Datum Ein geodätisches Bezugssystem wird mit Hilfe einer gemeinsamen Vereinbarung zwischen den Experten ausgewählt.

Wie viel ist der atmosphärische Druck in Bodennähe wert? Torricelli fand seinen Wert, als er die Höhe der Säule maß: 760 mm Quecksilber.

Das Torricelli-Barometer

Am oberen Ende des Rohrs beträgt der Druck 0, da dort ein Vakuum aufgebaut wurde. Währenddessen wird auf der Oberfläche des Quecksilberbehälters der Druck P.1 ist der atmosphärische Druck.

Wählen wir den Ursprung des Referenzrahmens auf der freien Oberfläche des Quecksilbers oben in der Röhre. Von dort bis die Oberfläche des Quecksilbers im Behälter gemessen wird H., die Höhe der Säule.

Abbildung 2. Das Torricelli-Barometer. Quelle: Allgemeine Physik für Ingenieure. J. Lay. USACH.

Der Druck an der rot markierten Stelle, in der Tiefe und1 es ist:

P.1 = P.oder + ρHg . g.y.1

Wo ρHg  ist die Dichte von Quecksilber. Schon seit Y.1 = H. Y. Po = 0::

P.1 = ρHg . G.H.

H = P.1/ ρHg.G

Da die Quecksilberdichte konstant und die Schwerkraft konstant ist, stellt sich heraus, dass die Höhe der Quecksilbersäule proportional zu ist P.1, Das ist atmosphärischer Druck. Ersetzen bekannter Werte:

H = 760 mm = 760 × 10 -3 m

g = 9,8 m / szwei

ρHg = 13,6 g / cm³ = 13,6 · 10 3 kg / m3

P.1 = 13,6 × 10 3 kg / m3 x 9,8 m / szwei x 760 x 10 -3 m = 101,293 N / mzwei= 101,3 kN / mzwei

Die Einheit für den Druck im internationalen System ist der Pascal, abgekürzt Pa. Nach Torricellis Experiment beträgt der atmosphärische Druck 101,3 kPa.

Bedeutung des atmosphärischen Drucks für das Klima

Torricelli beobachtete, dass der Quecksilbergehalt in der Röhre jeden Tag geringfügigen Schwankungen unterworfen war, und folgerte daraus, dass sich auch der atmosphärische Druck ändern muss..

Der atmosphärische Druck ist für einen Großteil des Klimas verantwortlich, seine täglichen Schwankungen bleiben jedoch unbemerkt. Dies liegt daran, dass sie beispielsweise nicht so auffällig sind wie Stürme oder Kälte.

Diese Schwankungen des Luftdrucks sind jedoch für die Winde verantwortlich, die wiederum Niederschlag, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit beeinflussen. Wenn sich der Boden erwärmt, dehnt sich die Luft aus und steigt tendenziell an, wodurch der Druck abfällt.

Immer wenn das Barometer hohe Drücke anzeigt, ist gutes Wetter zu erwarten, während bei niedrigen Drücken die Möglichkeit von Stürmen besteht. Um jedoch genaue Vorhersagen über das Klima zu treffen, ist es erforderlich, mehr Informationen über andere Faktoren zu haben..

Das Torr und andere Einheiten für Druck

Obwohl es seltsam klingt, da Druck als Kraft pro Flächeneinheit definiert ist, ist es in der Meteorologie gültig, den atmosphärischen Druck in Millimetern Quecksilber auszudrücken, wie von Torricelli festgestellt.

Dies liegt daran, dass das Quecksilberbarometer bis heute mit geringen Abweichungen verwendet wird, so dass zu Ehren von Torricelli 760 mm Hg 1 Torr entsprechen. Mit anderen Worten:

1 Torr = 760 mm Hg = 30 Zoll Hg = 1 Atmosphärendruck = 101,3 kPa

Wenn Torricelli Wasser anstelle von Quecksilber verwendet hätte, wäre die Höhe der Säule 10,3 m. Das Quecksilberbarometer ist praktischer, da es kompakter ist.

Andere weit verbreitete Einheiten sind Stangen und Millibar. Eine Millibar entspricht einem Hektopascal oder 10zwei Pascal.

Höhenmesser

Ein Höhenmesser ist ein Instrument, das die Höhe eines Ortes anzeigt und den atmosphärischen Druck in dieser Höhe mit dem auf dem Boden oder einem anderen Bezugsort vergleicht.

Wenn die Höhe nicht sehr groß ist, können wir grundsätzlich davon ausgehen, dass die Luftdichte konstant bleibt. Dies ist jedoch eine Annäherung, da wir wissen, dass die Dichte der Atmosphäre mit der Höhe abnimmt.

Unter Verwendung der oben verwendeten Gleichung wird die Luftdichte anstelle der von Quecksilber verwendet:

P.1 = P.oder + ρLuft . g.H.

In diesem Ausdruck P.oder wird als atmosphärischer Druck in Bodennähe genommen und P1 ist das des Ortes, dessen Höhe bestimmt werden soll:

H = (P.1 - P.oder) / ρLuft . G

Die altimetrische Gleichung zeigt, dass der Druck mit der Höhe exponentiell abnimmt: z H = 0, P.1= P.oder was, wenn H → ∞, dann P.1=0.

Verweise

  1. Figueroa, D. 2005. Reihe: Physik für Naturwissenschaften und Technik. Band 5. Flüssigkeiten und Thermodynamik. Herausgegeben von Douglas Figueroa (USB).
  2. Kirkpatrick, L. 2007. Physik: Ein Blick auf die Welt. 6. gekürzte Ausgabe. Lernen einbinden.
  3. Lay, J. 2004. Allgemeine Physik für Ingenieure. USACH.
  4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4 .. Auflage. Pearson Ausbildung. 
  5. Strangeways, I. 2003. Messung der natürlichen Umwelt. 2 .. Auflage. Cambridge University Press.

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