5.1: Definicja i pomiar ciśnienia: ciśnienie atmosferyczne, barometr i manometr

Ciśnienie gazu powstaje w wyniku siły wywieranej przez cząsteczki gazu zderzające się z powierzchnią przedmiotów. Chociaż siła każdego zderzenia jest bardzo mała, każda powierzchnia na znacznym obszarze ulega dużej liczbie zderzeń w krótkim czasie, co może skutkować wysokim ciśnieniem.

Ogólnie ciśnienie definiuje się jako siłę wywieraną na daną powierzchnię:

Ciśnienie jest wprost proporcjonalne do siły i odwrotnie proporcjonalne do powierzchni. Zatem ciśnienie można zwiększyć albo poprzez zwiększenie siły, albo poprzez zmniejszenie obszaru, na którym jest ono wywierane. Ciśnienie można zmniejszyć zmniejszając siłę lub zwiększając powierzchnię.

Jednostką ciśnienia w SI jest paskal (Pa), gdzie 1 Pa = 1 N/m2, N to niuton, a jednostka siły zdefiniowana jako 1 kg·m/s2. Jeden paskal to małe ciśnienie; w wielu przypadkach wygodniej jest używać jednostek kilopaskali (1 kPa = 1000 Pa) lub barów (1 bar = 100 000 Pa). Ciśnienie można również mierzyć za pomocą atmosfery jednostkowej (atm).

Pomiar ciśnienia

Ciśnienie atmosferyczne, siłę wywieraną przez atmosferę na powierzchnię ziemi, mierzy się za pomocą barometru. Barometr to szklana rurka zamknięta z jednego końca, wypełniona nielotną cieczą, taką jak rtęć, a następnie odwrócona i zanurzona w pojemniku z tą samą cieczą. Atmosfera wywiera ciśnienie na ciecz na zewnątrz rurki, słup cieczy wywiera ciśnienie wewnątrz rurki, a ciśnienie na powierzchni cieczy jest takie samo wewnątrz i na zewnątrz rurki. Wysokość cieczy w rurce jest zatem proporcjonalna do ciśnienia wywieranego przez atmosferę.

W barometrze rtęć jest częściej wybierana niż woda, ponieważ jest od niej 13,5 razy gęstsza. Ciśnienie atmosferyczne może utrzymać słup rtęci o wysokości zaledwie około 0,760 m, podczas gdy słup wody musiałby mieć wysokość 10,3 m. Dzięki temu kolumna rtęci jest wygodnym sposobem pomiaru ciśnienia.

Standardowe ciśnienie atmosferyczne wynoszące 1 atm na poziomie morza (101 325 Pa) odpowiada słupowi rtęci o wysokości około 760 mm (29,92 cala). Ciśnienie wywierane przez płyn pod wpływem grawitacji nazywa się ciśnieniem hydrostatycznym, p:

gdzie h to wysokość płynu, ρ to gęstość płynu, a g to przyspieszenie ziemskie.

Manometr to urządzenie służące do pomiaru ciśnienia gazu uwięzionego w pojemniku. Manometr z zamkniętym końcem to rurka w kształcie litery U z jednym zamkniętym ramieniem, jednym ramieniem łączącym się z mierzonym gazem i rtęcią pomiędzy. Odległość między poziomami cieczy w obu ramionach rurki, h, jest proporcjonalna do ciśnienia gazu w pojemniku. W manometrze otwartym jedno ramię rurki jest otwarte do atmosfery. W tym przypadku odległość między poziomami cieczy odpowiada różnicy ciśnień pomiędzy gazem w zbiorniku a atmosferą.

Przypomnijmy, że gaz zawsze przyjmuje kształt i objętość naczynia, w którym się znajduje. Mikroskopijnie gaz składa się z poruszających się cząstek, które zderzają się ze sobą i ściankami swojego pojemnika.

Każde zderzenie ze ścianą wywiera niewielką siłę na obszar kontaktu. Siły wynikające z dużej liczby takich zderzeń sumują się do jego ciśnienia.

Mniej cząstek gazu prowadzi do mniejszej liczby zderzeń, mniejszej siły na jednostkę powierzchni, a co za tym idzie, niższego ciśnienia. Ciśnienie jest zatem wprost proporcjonalne do liczby cząstek w danej objętości lub gęstości gazu.

Powietrze – mieszanina różnych gazowych atomów i cząsteczek – wywiera nacisk na wszystko, co znajduje się na powierzchni ziemi. Jest to ciśnienie atmosferyczne, które mierzy się za pomocą barometru. Tradycyjny barometr to szklana rurka wypełniona rtęcią, która jest odwracana do naczynia zawierającego rtęć.

W odpowiedzi na ciśnienie wywierane przez atmosferę wysokość słupa rtęci wzrasta lub opada. Pomiar wysokości zapewnia miarę ciśnienia atmosferycznego.

Na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 atm, co podnosi kolumnę rtęci na wysokość 760 milimetrów słupa rtęci. Na większych wysokościach, gdzie powietrze jest mniej gęste, wysokość słupa rtęci spada, co wskazuje na niższe ciśnienie atmosferyczne.

Ciśnienie gazu uwięzionego w pojemniku mierzy się za pomocą manometru. Manometr z zamkniętym końcem składa się z rurki U wypełnionej rtęcią. Jeden koniec jest uszczelniony w próżni, a drugi koniec jest połączony z pojemnikiem wypełnionym próbką gazu.

Cząsteczki gazu napierają na rtęć na jednym końcu rury, tworząc różnicę wysokości, która odpowiada ciśnieniu wywieranemu przez gaz.

W manometrze otwartym jeden koniec pozostaje otwarty na atmosferę. Mierzy ciśnienie próbki gazu w stosunku do ciśnienia atmosferycznego.

Gdy gaz wywiera ciśnienie wyższe niż ciśnienie atmosferyczne, różnica wysokości jest dodawana do ciśnienia atmosferycznego. W ten sposób powstaje ciśnienie gazu.

I odwrotnie, gdy atmosfera wywiera ciśnienie większe niż próbka gazu, różnica wysokości jest odejmowana od ciśnienia atmosferycznego, aby uzyskać ciśnienie gazu.