Atmosferik basınç

Atmosferik basınç olan basınç oluşturan gaz karışımı tarafından uygulanan bir atmosfer (üzerindeki söz konusu Dünya  : hava ) onunla temasta olan bir yüzey üzerinde. Aralıksız rastgele bir hareket, termal ajitasyon tarafından canlandırılan bu karışımın molekülleri, kendi aralarında ve nesnelerin yüzeylerine karşı çarpışmalara uğrarlar . Bu moleküllerin atmosferde bulunan nesneler üzerindeki şoklarından kaynaklanan çarpma kuvvetleri, bu nesnelerin yüzeyinde dağılan ve atmosfer basıncından sorumlu olan kuvvetlerle sonuçlanır (birim alan başına atmosfer moleküllerinin baskı kuvvetleri).

Daha doğrusu, Dünya'da bulunan yerçekimi, atmosferi yere doğru sıkıştırır, böylece her seviyede, bu şekilde oluşturulan yerel basınç, üstteki hava sütununun toplam ağırlığını desteklemek için yeterlidir. Deniz seviyesi ortalamalar atmosferik basınç 1,013.25  hPa ya da 1  atm . Bu asıl olarak kütle arasında atmosferi küresel atmosfer sirkülasyonu ile karmaşık bir şekilde dağıtıldığı, yerden, yere değişmektedir basınç sebep olur.

Atmosferik basınç, bir barometre , hipsometre veya altimetre kullanılarak ölçülür . Cıva sütunu barometresinin yaygın kullanımı nedeniyle uzun zamandır milimetre cıva (sembol mmHg; torr , sembol Torr olarak da adlandırılır) olarak ölçülmüştür .

Kabulü yana Pascal olarak Uluslararası Birim Sistemi baskı birimi (SI), Meteorologlarıın bu birimin, bir çoklu kullanımı Hektopaskal tam olarak karşılık gelen bir avantaja sahiptir (hPa), milibar önce kullanılan:. 1  hPa = 1  mbar .

Tarihi

1638'de Galileo , Aristoteles tarafından tasarlanan ve basınçlı hava içeren bir silindir aracılığıyla havanın ağırlığını vurgulayabilen bir deney de dahil olmak üzere çeşitli deneyleri açıkladığı iki yeni bilim  (in) ile ilgili Söylemler ve matematiksel gösteriler yazdı . Bilim adamı, çalışmasında, çeşmelerin emme pompalarının suyu 10 metrenin üzerine kaldıramaması üzerine Floransa çeşmelerinin kendisine sunduğu bir gözlemi rapor eder. Galileo, bu güçsüzlüğü, Aristoteles'in sahte korku boşluğu fikrini benimseyerek , bir boşluğun sınırlı dehşetine, içsel bir nedene bağlar ( "doğa boşluktan nefret eder" ). 1643 yılında, Toricelli , Galileo arkadaş ve öğrenci yerine getiren bir deney (in) , onu bir dış neden atmosfer basıncında suyun yol öznitelik, ve doğru bir atmosfer ağırlığını ölçmek için sağlar. 1654'te Otto von Guericke tarafından Magdeburg yarım küreleri üzerinde yapılan deneyler , atmosfer basıncının iki yarım küreyi metrekare başına on ton oranında birbirine doğru ittiğini gösteriyor.  

Normal atmosfer basıncı

Gerçek ölçülen atmosferik basınç , tanım gereği, 15  ° C sıcaklıkta "deniz seviyesinde" (ortalama seviye) olarak sabitlenen normal atmosfer basıncı civarında değişir :

Diğer SI olmayan birimler

Eski yılında CGS Sistem birimlerine , normal atmosfer basıncı geçerli:

Milimetre cıva (mmHg) ve ona eşit olan torr (Torr) tanımına göre, normal atmosfer basıncı tam olarak 760  mmHg = 760  Torr'dur .

Son olarak, normal atmosferik basıncın kendisi , bir basınç birimi tanımlamayı mümkün kılar  : 1  atm = 101 325  Pa .

20°C'de normal atmosfer basıncında hava moleküllerinin ortalama hızı yaklaşık 500 m/s (1.800 km/s), 100°C'de bu karıştırma hızı 560 m/s'ye (2 016 km/s) ulaşır. Ancak 20 °C'de ve atmosfer basıncında, moleküller arasındaki ortalama mesafe, bu moleküllerin çapının on katı ve ortalama serbest yol bu çapın 100 katı mertebesindedir. Moleküller çok sık çarpışırlar (her biri ortalama 10-10 saniyede bir çarpışmaya girer ), bu hızı yalnızca çok kısa mesafelerde korurlar.

Dikey varyasyon

Artan yükseklikle birlikte atmosferik basınç azalır , çünkü üstteki havanın kütlesi - ve dolayısıyla ağırlığı - mutlaka yükseklikle azalır ve havayı daha az sıkıştırır. 16 km (ya da 5500 m'de yarıya indiğinizde  ) her yükseldiğinizde basınç katlanarak 10 kat azalır  . Böylece havacılık ve dağcılıkta kullanılan altimetrenin temel prensibi olan yüksekliği ölçmek için basınç kullanmak mümkündür .

Olarak uygulanan meteoroloji , basınç genellikle doğrudan kullanılan dikey koordinatı . Örneğin, 700  hPa'lık ("yükseklik") bir sıcaklıktan bahsedeceğiz . Bu yaklaşımın teknik avantajları vardır ve meteorolojide kullanılan belirli denklemleri basitleştirir.

İstikrar ve istikrarsızlık

Tipik olarak, yaklaşık 5.500 metrede atmosfer basıncı yarı yarıya azalır ve atmosferin ortalama sıcaklığı 1.000 metrede 9.7  °C düşer. Ancak bu oran sadece standartlaştırılmış bir atmosfer için geçerlidir ve aslında su buharı içeriğine ve rakıma göre değişir. Atmosferin dengede olduğu varsayımını yaparsak, bu özellikler kesin olarak gösterilebilir (bu mükemmel bir yaklaşıklık olarak kalsa da, pratikte tam olarak doğru değildir).

Yer, Güneş tarafından konveksiyonla ısıtıldığında atmosferin alt katmanları ısınır ve sıcak havanın yoğunluğu daha az olduğu için Arşimet itmesi sayesinde ısınan hava yükselme eğiliminde olacaktır . Sıcak hava cebi çevredeki havadan daha yavaş soğursa, bu hava parseli yukarı doğru hızlanacaktır. O zaman kararsız bir hava kütlesi ile karşı karşıyayız. Aksi takdirde yükselen hava çevredeki havadan daha soğuk olur, yukarı doğru hareket durur ve atmosfer stabil hale gelir.

Yükselen hava kütlesinin soğuma hızı, bir radyosonda tarafından verilen ortamın sıcaklığına göre teorik olarak veya bir termodinamik diyagram üzerinde hesaplanabilir . Bu hesaplama, dışarıdaki hava ile ısı alışverişi olmadığı ve havanın doygun olup olmaması durumunda sıcaklık değişim hızının farklı olduğu varsayımına dayanmaktadır. İlk durumda, yoğunlaşan su buharı yükselen kütleden çıkarılır.

yatay varyasyon

Meteorologlar, meteorolojik sistemleri bulmak ve izlemek için atmosferik basınçtaki yatay değişiklikleri analiz eder: bu, çöküntü bölgelerini (D) (basınç genellikle 1013  hPa , 760  mmHg'den az ), yüksek basınç bölgelerini (A) (genellikle 1013'ten  büyük basınç) tanımlamayı mümkün kılar. hPa , 760  mmHg ) ve izobarlar . Alçaklar ve dipler genellikle kötü hava koşullarıyla ilişkilendirilir . Antiksiklonlar ve barometrik sırtlar iyi havalar için iyidir.

Aynı yükseklikteki iki nokta (veya yatay basınç gradyanı ) arasındaki basınç farkı da rüzgarın en önemli itici gücüdür  : en şiddetli tropikal siklonlarda 5 hPa/km değerleri  gözlemlenmiştir .

Hava sistemlerini izlemek ve rüzgar şiddetini tahmin etmek için basıncı kullanmak için, farklı irtifalarda (denizlerde, vadilerde, dağlarda) alınan basınç ölçümlerini uzlaştırmak gerekir. Bu, ham basınç ölçümlerini standart bir ayarlamaya tabi tutarak yapılır. Bu ayardan kaynaklanan değere deniz seviyesi basıncı veya PNM denir . Örneğin deniz seviyesinden 100 metre yükseklikte bulunan bir istasyonu ele alırsak, istasyonda kazacağımız 100 metre derinliğindeki hayali bir deliğin dibindeki basınç tahmin edilerek ayarlama yapılacaktır. Daha kesin olarak, PNM değeri, istasyonda ölçülen basıncın ve hayali hava sütununa atanan sıcaklığın bir fonksiyonudur. İkincisi için istasyondaki mevcut sıcaklığın ve on iki saat önce ölçülenin ortalamasını kullanırız. MLP çok yararlı bir yaklaşımdır, ancak özellikle dağlık arazide ona tam bir fiziksel ölçümün tam değerini vermemeye özen gösterilmelidir. Deniz seviyesinde ölçülen atmosferik basınç ortalama 1013  hPa değerinde değişir .

Yerde ölçülen basınç, uzak meteorolojik ölçüm cihazlarından gelen verilerin kalibrasyonu ve doğrulanması için kullanılır. Doğru basınç ölçümleri bu nedenle Dünya ve iklim gözlemi için gerekli bir temeldir.

Tipik değerler

Kayıt değerleri

Gözlemler ve deneyimler

İade cam deneyimi

"Ters cam" veya "tersine çevrilebilir cam" deneyi, bir bardağı gaz olmayan bir sıvıyla doldurmak, ağzını bir karton levha (veya eşdeğer bir destek) ile kapatmak, camı nazikçe ters çevirmek ve ardından tutan eli çıkarmaktan oluşur. kağıt. Sıvı bardakta kalır. Bu, aşağıdaki gibi zıt-sezgisel gözlem açıklanabilir: atmosfer basıncı (yaklaşık 1 kg / cm 2 ), ve daha düşük bir seviyede yüzey gerilimi , cam içinde bulunan sıvı ve ağırlıkça hava basıncından daha yukarı dikey kuvvet daha büyük uygulamak camın dibinde. Destek kaldırılırsa, atmosferik basınç aynı yukarı kuvveti uygulasa da sıvı kaçar: yerçekimi (dengesizleştirici) kuvvetler, yüzey gerilimi (dengeleyici) kuvvetlere göre önceliklidir ve Rayleigh-Taylor kararsızlığını tetikler .

Bu deneyin bir sonucu, kapağın altındaki aşırı düşük hava basıncından daha yüksek atmosfer basıncının zorlaştırdığı bir reçel, cam kutu veya bebek kavanozunun açılmasıdır. Bir diğer doğal sonuç ise, sıvı yüzeyle temas edecek şekilde içeriye bastırılan ve camın etrafına katlanan bir mendille kaplanmış sapsız bir bardağın açılmasıyla “ateşsiz kaynayan su”dur. Cam ters çevrildikten sonra, mendili açıklığın üzerine uzanana kadar bir elinizle getirin. Daha sonra bir köpürme duyulur ve karıştırılan suyun içinden kaynar gibi büyük kabarcıkların yükseldiği gözlenir. Mendilin uzatılmasıyla camın içinde bir "kısmi vakum" üretilir, bu da dışarıdaki havanın kumaşın gözeneklerinden geçmesine ve suyun bu "boşluğu" doldurmasına neden olur.

Yakıtın yandığı bir mahfaza içinde yükselen su deneyimi

Yanma bir kibrit veya su (plaka, dolu bir kabın dibine dayanan bir mum kristalleştirici bir mahfaza (tipik olarak bir cam) altına yerleştirilir ...) olan ve, olayları 'ye soğutulur. Bağlı parafin mumu yanma kısmi oksijen tüketimi karbondioksit CO üretir 2ve su H 2 O, gaz halindeki iki reaksiyon ürünü . Artık gazın soğutulması ( ısıl büzülme ) ve su buharının yoğunlaşması ( muhafazanın iç duvarlarında buğu oluşumu ile gözlemlenebilir), iç basınçta, dış atmosfer basıncından daha düşük olan bir azalmaya neden olur. Bazen öğretilen yaygın inanışın aksine , suyun neden atmosferik basınçla camın içine itildiğini açıklayan bu fenomendir.

Notlar ve referanslar

  1. olarak hidrostatik , cıva sütunu ağırlığı (p = m Hg gr) hava ağırlığı ile dengelenir tankında cıva tüm serbest yüzeyi üzerine bastırmaktadır. Aynı yüzey birimine bu iki kuvvetleri ile ilgili olarak, biz cıva yüzeyi üzerine uygulanan basınç tankında içerdiği yazabilir (p bir = P atm = P , bir nokta bir çevre havası ile temas halinde olduğu için) borunun ağzındaki cıvadaki basınca eşittir (P B ). Bir cıva banyosuna daldırılmış Torricelli tüpünde (sembol Hg ve yoğunluk ρ), kolon, vakumla (Torricelli vakumu olarak adlandırılır) veya daha kesin olarak doymuş buhar basıncında (20 ° C'de, p * (Hg'de) cıva buharı ile kaplanır. = 0.16012 Pa). Atmosfer basıncına göre bu değer ihmal edilebilir olduğundan, P C ≈ 0 olduğunu varsayabiliriz. İki B ve C noktası arasındaki basınç farkı (h B - h C = h olacak şekilde bir yükseklikte bulunur ) ve h C , sırasıyla bir derinlik h B ve h C , farklı noktalar arasındaki sıkıştırılamaz bir sıvı için hidrostatik temel yasası tarafından verilir : PB-PVS=ρ g (hB-hVS){\ görüntü stili P_ {B} -P_ {C} = \ rho \ g \ (h_ {B} -h_ {C})}
    PB-0=ρ g h{\ görüntü stili P_ {B} -0 = \ rho \ g \ h}
    Pde=ρ g h{\ görüntü stili P_ {a} = \ rho \ g \ h}
    Cıva, P ' atm = 101,325  Pa , ρ = 13,600 kg / 3 , 9.81 m / s 2 , bu nedenle h = 76  mm Hg . Su ρ = 1000 kg / m 3 ve h = 10.3  m , H 2 O. Bkz. Fizik ve kimya , Bordas,2004, s.  251
  2. (içinde) Celile deneyiminin şeması
  3. (in) Howard Margolis, O Copernicus ile başladı: Bilimsel Devrime Dünya Inside Out Led Torna Nasıl , McGraw-Hill,2002, s.  174
  4. Normal atmosfer basıncı , Météo-France
  5. Malzeme Bilimlerinde Fikirler ve Kavramlar , Encyclopaedia Universalis,2015, s.  77-78
  6. Georges Bruhat, Termodinamik , Masson,1962, s.  477
  7. (içinde) Kshudiram Saha , The Earth's Atmosphere: Its Physics and Dynamics , Berlin, Springer-Verlag,2008, 367  s. ( ISBN  978-3-540-78426-5 ) , s.  31
  8. Farklı siklon sınıfları .
  9. "  Moğolistan basınç Mutlak rekor  " , üzerinde The Weather Channel ,21 Ocak 2010( 13 Temmuz 2013 tarihinde erişildi ) .
  10. (içinde) Dünya Meteoroloji Örgütü, "  Dünya: 750 metrenin Üzerindeki En Yüksek Deniz Seviyesi Hava Basıncı  " , Arizona Üniversitesi'nde (erişim tarihi: 13 Aralık 2012 ) .
  11. (içinde) Dünya Meteoroloji Örgütü, "  Dünya: 750 metrenin Altındaki En Yüksek Deniz Seviyesi Hava Basıncı  " , Arizona Üniversitesi (erişim tarihi: 13 Aralık 2012 ) .
  12. (içinde) Dünya Meteoroloji Örgütü, "  Dünya: En Düşük Deniz Seviyesinde Hava Basıncı (tornadolar hariç)  " , Arizona Üniversitesi'nde (erişim tarihi: 13 Aralık 2012 ) .
  13. (in) "  Cyclone Monica (Maningrida, Avustralya) için Advanced Dvorak Technique Intensity listesi  " , CIMSS ( 13 Temmuz 2013'te erişildi ) .
  14. (içinde) Stephen L. Durden, "  Peak Intensity yakınlarında Siklon Monica'nın Uzaktan Algılama ve Modellenmesi  " , Atmosfer , Çok Disiplinli Dijital Yayıncılık Enstitüsü, Cilt.  1, n o  1,12 Temmuz 2010, s.  15–33 ( ISSN  2073-4433 , DOI  10.3390 / atmos1010015 , çevrimiçi okuma , erişim tarihi 13 Temmuz 2013 2012 ).
  15. Karton kağıt (kartvizit, kartpostal), kağıt havlu ... Deney ayrıca gazlı bez, tel bez veya daha yoğun olarak başka bir fiziksel fenomeni, yüzey gerilimini içeren bir kevgir ile çalışır , bu da deneyin olmadığını açıklar. Plastikleştirilmiş veya biraz yağ ile yağlanmış kağıtla "çalıştırın".
  16. Jean-Michel Courty ve Édouard Kierlik, "  Des sıvıları baş aşağı  ", Pour la science , n o  467,31 Ağustos 2016, s.  89-91 ( çevrimiçi okuyun )
  17. Raoul Marquis, 100 fiziksel deney , A.-L. Guyot,1920, s.  30-31
  18. Bu deneyim İskenderiyeli Philo'ya kadar uzanır . Bkz. Francisco Vera, op. cit. , s. 882.
  19. alev kademeli sönme bağlı oksijen ortadan kalkmasına değil CO serbest değildir 2camla temas eden, soğuyan ve boğulan alevin üzerine "düşen" (oksijensiz atmosfer, herhangi bir yanmayı imkansız hale getirir). Bu özellik, bir yangın sırasında CO2 tarafından daha az boğulmuş temiz havayı yakalamak için dumanın altında zeminde emekleme önerisini açıklar .. Cf [video] Scilabus, bir mum deneyimi demystified üzerine YouTube ,31 Ekim 2014, (tr) James P. Birk ve Anton E. Lawson, “  Mum ve Silindir Yanılgının Kalıcılığı  ” , J. Chem. eğitim , cilt.  76, n o  7,1999, s.  914 ( DOI  10.1021 / ed076p914 )
  20. Oksijenle reaksiyona giren mum buharı aşağıdaki reaksiyonu verir: C n H 2 n +2(k) + (1.5 N + 0.5) O 2(g) -> CO 2(g) +, (n + 1) 'H 2 O (g)
  21. Sert kaynamış yumurta veya balonun ısıtılmış bir şişenin veya şişenin boynundan "emilmesi" (sıcak suyla durulanır, kibritler tutuşturulur ve kaba daldırılır) daha sonra soğutulması deneyi de büzülme ilkesine dayanmaktadır şişenin içinde bir çöküntü yaratır.
  22. (içinde) Harold R. Hunt, Toby F. Block, George M. McKelvy, Genel Kimya için Laboratuvar Deneyleri , Brooks / Cole Thomson Learning,2002, s.  146-149
  23. (içinde) Francisco Vera, Rodrigo Rivera, César Núñez Ramírez, "  Bir Gemide Mum Yakmak, Uzun Bir Tarihe Sahip Basit Bir Deney  " , Science & Education , Cilt.  20, n o  9,2011, s.  881-893 ( DOI  10.1007 / s11191-011-9337-4 )

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar