5.1: Definizione e misurazione della pressione: pressione atmosferica, barometro e manometro

La pressione del gas causata dalla forza esercitata dalle molecole di gas che entrano in collisione con le superfici degli oggetti. Sebbene la forza di ciascuna collisione sia molto piccola, qualsiasi superficie di un'area apprezzabile subisce un gran numero di collisioni in breve tempo, il che pu provocare un'alta pressione.

In generale, la pressione definita come la forza esercitata su una determinata area:

La pressione direttamente proporzionale alla forza e inversamente proporzionale all'area. Pertanto, la pressione pu essere aumentata aumentando la quantit di forza o diminuendo l'area su cui viene applicata; la pressione pu essere diminuita diminuendo la forza o aumentando l'area.

L'unit SI di pressione il pascal (Pa), dove 1 Pa = 1 N/m^2, dove N il newton, un'unit di forza definita come 1 kg·m/s^2. Un pascal una piccola pressione; in molti casi pi conveniente utilizzare unit di kilopascal (1 kPa = 1000 Pa) o bar (1 bar = 100.000 Pa). La pressione pu anche essere misurata utilizzando l'unit atmosfera (atm).

Misurazione della pressione

La pressione atmosferica, la forza esercitata dall’atmosfera sulla superficie terrestre, si misura con un barometro. Un barometro un tubo di vetro chiuso a un'estremit, riempito con un liquido non volatile, come il mercurio, quindi capovolto e immerso in un contenitore di quel liquido. L'atmosfera esercita una pressione sul liquido all'esterno del tubo, la colonna di liquido esercita una pressione all'interno del tubo e la pressione sulla superficie del liquido la stessa all'interno e all'esterno del tubo. L'altezza del liquido nel tubo quindi proporzionale alla pressione esercitata dall'atmosfera.

Nel barometro, il mercurio la scelta preferita rispetto all'acqua, poich 13,5 volte pi denso dell'acqua. La pressione atmosferica pu sostenere una colonna di mercurio alta solo circa 0,760 m, mentre una colonna d'acqua dovrebbe essere alta 10,3 m. Ci rende una colonna di mercurio un modo conveniente per misurare la pressione.

La pressione atmosferica standard di 1 atm al livello del mare (101.325 Pa) corrisponde a una colonna di mercurio alta circa 760 mm (29,92 pollici). La pressione esercitata da un fluido a causa della gravit detta pressione idrostatica, p:

dove h l'altezza del fluido, ? la densit del fluido e g l'accelerazione dovuta alla gravit.

Un manometro un dispositivo utilizzato per misurare la pressione di un gas intrappolato in un contenitore. Un manometro a estremit chiusa un tubo a forma di U con un braccio chiuso, un braccio che si collega al gas da misurare e il mercurio nel mezzo. La distanza tra i livelli del liquido nei due bracci del tubo, h, proporzionale alla pressione del gas nel contenitore. In un manometro aperto, un braccio del tubo aperto all'atmosfera. In questo caso la distanza tra i livelli del liquido corrisponde alla differenza di pressione tra il gas nel contenitore e l'atmosfera.

Questo testo adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 9.1: Gas Pressure.

Ricordate che un gas assume sempre la forma e il volume del recipiente in cui è contenuto. Microscopicamente, un gas è costituito da particelle in movimento che entrano in collisione tra loro e con le pareti del loro contenitore. Ogni collisione con il muro esercita una piccola forza sull'area di contatto.

Le forze risultanti da un gran numero di tali collisioni si sommano alla sua pressione. Meno particelle di gas portano a minori collisioni, una forza inferiore per unità di area e quindi una pressione inferiore. La pressione, quindi, è direttamente proporzionale al numero di particelle in un dato volume, o alla densità del gas.

L'aria, una miscela di diversi atomi gassosi e molecole, esercita una pressione su tutto ciò che si trova sulla superficie della terra. Questa è la pressione atmosferica e viene misurata usando un barometro. Un barometro tradizionale è un tubo di vetro pieno di mercurio che viene capovolto in un piatto contenente mercurio.

In risposta alla pressione esercitata dall'atmosfera, l'altezza della colonna di mercurio aumenta o diminuisce. La misurazione dell'altezza fornisce una misura della pressione atmosferica. A livello del mare, la pressione atmosferica è di 1 atm, il che solleva la colonna di mercurio ad un'altezza di 760 millimetri di mercurio.

Ad altitudini più elevate, dove l'aria è meno densa, l'altezza della colonna di mercurio diminuisce, indicando una pressione atmosferica inferiore. La pressione di un gas intrappolato in un contenitore è misurata utilizzando un manometro. Un manometro chiuso è costituito da un tubo a U riempito di mercurio.

Un'estremità è sigillata sottovuoto e l'altra estremità è collegata al contenitore riempito con il campione di gas. Le particelle di gas spingono verso il basso sul mercurio in un'estremità del tubo, creando un dislivello che corrisponde alla pressione esercitata dal gas. In un manometro open-end, un'estremità è lasciata aperta all'atmosfera.

Questo misura la pressione del campione di gas rispetto alla pressione atmosferica. Quando il gas esercita una pressione superiore alla pressione atmosferica, il dislivello si somma alla pressione atmosferica. Questo produce la pressione del gas.

Al contrario, quando l'atmosfera esercita una pressione maggiore del campione di gas, la differenza di altezza è sottratta dalla pressione atmosferica per ottenere la pressione del gas.