Кратко об опыте Торричелли со ртутью и стеклянной трубкой

Опыт Торричелли со ртутью и стеклянной трубкой Физика

Каждый школьник старших классов, который интересуется физикой, может рассказать кратко об опыте Торричелли. Этот несложный эксперимент был поставлен итальянским ученым в эпоху, когда современная наука только зарождалась, и человечество еще не имело четких представлений о законах механики.

Биография ученого

Прежде чем говорить о сути эксперимента Торричелли, любопытно познакомиться с биографией этого известного ученого. Родился он в Италии в городе Флоренция в 1608 году. Родители возлагали с самого рождения большие надежды на их одаренного сына, поэтому назвали его именем с библейскими корнями — Эванджелиста.

Эванджелиста Торричелли

В 1627 году в возрасте 19 лет он отправляется в Рим с целью изучения наук. В столице в течение 5 лет он был учеником Бенедетто Кателли (Benedetto Castelli). В 1632 году по просьбе своего учителя Торричелли берет сам Галилео Галилей в качестве своего помощника при выполнении различных научных экспериментов. Однако, с Галилеем Торричелли поработал немного, поскольку его новый учитель скончался, спустя 3 месяца, в 1633 году.

После смерти Галилея ученого приглашает герцог Фердинандо II Медичи в его родной город Флоренцию в качестве философа и математика Флоренской академии. Торричелли с радостью принял это предложение. Умер Эванджелиста в возрасте 39 лет (в 1647 году) от брюшного тифа.

Знаменитый эксперимент

Эванджелиста Торричелли вошел в историю как первый ученый, который получил математическое выражение для атмосферного давления. Измерения в опыте Торричелли привели к следующим результатам:

  1. Было доказано, что воздух создает давление на поверхность абсолютно любых предметов.
  2. Была измерена величина этого давления при помощи ртути.
  3. Создан первый прибор для измерения давления — ртутный барометр.
  4. Продемонстрирована простая возможность создания вакуума.

Описать эксперимент Торричелли легко.

Суть опыта

Торричелли наблюдал, как столб жидкости уменьшается

В 1643 году, работая в академии Флоренции, ученый поставил следующий опыт: он взял пустую стеклянную трубку длиной 1 метр, которая была запаяна лишь с одной стороны. Затем ученый заполнил ее ртутью и закрыл пальцем открытый конец. После этого он перевернул трубку, погрузил ее в сосуд, содержащий жидкую ртуть, и убрал палец. В этот момент Торричелли наблюдал, как столб жидкости уменьшается. К удивлению многих, и несмотря на то что один конец стеклянной трубки был погружен в жидкость и являлся открытым, вся ртуть не вытекла, а выставился определенный ее уровень.

Эксперимент итальянец проводил на высоте уровня моря, поэтому измеренная им высота столба ртути в трубке составила 76 см или 760 мм. Причем эта величина не изменялась, если наклоняли трубку под разными углами или использовали приборы разного диаметра. До настоящего времени значение 760 мм ртутного столба считается нормальным давлением.

Физические процессы

Для большинства людей остается непонятным, почему вся ртуть не вытекла из стеклянной трубки. Для того чтобы понять, в чем заключается опыт, с точки зрения физики, необходимо вспомнить принцип, что все текущие субстанции (жидкости и газы) передают оказываемое на них давление по всем направлениям одинаково. Причем жидкости не изменяют величину внешнего давления, поскольку являются несжимаемыми.

В опыте Торричелли со ртутью столб этой жидкости имеет некоторый вес, который создает давление на ограниченную диаметром трубки площадку. Это давление точно уравновешивается той же самой величиной, которую создает вся масса воздуха. Следует заметить, что уравновешиваются именно давления, а не веса, как иногда ошибочно говорят. Это умозаключение теоретически можно доказать, если провести следующую последовательность физико-математических рассуждений:

Объем ртути, которая заполняет стеклянную трубку

  1. Согласно определению, давление — это действующая на площадку сила. Для удобства использования всех формул следует физические величины представлять в единицах измерения международной системы СИ. Давление рассчитывается по следующей простой формуле: p = m*g/S. Здесь произведение массы тела m на ускорение свободного падения g является весом, S — площадь, на которую опирается тело.
  2. Объем ртути, которая заполняет стеклянную трубку, может быть вычислен таким образом: V = S*h, где h — высота столба, которая составляет 0,76 метра. Формула для V является типичной для цилиндра. Тогда давление ртути на дно сосуда может быть вычислено так: p = ρ*g*h*S/S = ρ*g*h, где ρ — плотность жидкости. Если обратиться к справочнику, то можно выписать ρ = 13534 кг/м3, g = 9,80665 м/с2. Теперь известны все величины, и можно рассчитать давление: p = ρ*g*h = 100869 Па. Уточнение плотности ртути для температуры +20 °C приводит к точной величине p = 101325 Па. Это давление равно одной атмосфере (1 атм.).
  3. Опустившись на некоторую величину относительно запаянного конца трубки, ртуть оставляет над собой свободное от воздуха пространство — это торричеллиева пустота, которая характеризуется достаточно высоким уровнем вакуума (определенная доля паров ртути и некоторых других газов в ней все же присутствует).

Проанализировав все физические процессы своего опыта, Эванджелиста Торричелли сделал следующий краткий вывод: «Мы живем на дне океана, состоящего из воздуха, который, как неопровержимо показывает опыт, обладает собственным весом». Стеклянная трубка со ртутью стала первым в истории барометром.

Величины измерения и изменение давления

Физическая величина, которая измеряется в ньютонах на квадратный метр, называется давлением. В системе СИ 1 Н/м2 = 1 Па (Паскаль). Значение 1 Па является настолько маленьким, что в повседневной жизни оно практически не используется. Для этого применяются следующие единицы измерения:

  • 1 мм рт. ст. (миллиметр ртутного столба), который равен 1/760 атмосферы;
  • 1 тор = 1 мм рт. ст. — эта единица получила свое название в честь Торричелли;
  • 1 атм. = 101325 Па — нормальное давление атмосферы на поверхности планеты вблизи уровня моря;
  • 1 бар приблизительно равен 1 атм. — величина часто используется в технике.

Суть опыта Торричелли

Изменение атмосферного давления в опыте Торричелли можно обнаружить, если его провести ярким солнечным днем и в дождливую погоду. В первом случае оно будет выше 760 мм рт. ст., во втором — ниже этого значения. Этот факт послужил отправной точкой для развития измеряющих давление приборов (барометров) и метеорологии в целом.

Давление зависит не только от погоды, но и от высоты над поверхностью нашей планеты. Чем она выше, тем меньше рассматриваемая величина. Почему это происходит, понять несложно, если учесть, что создаваемое воздухом давление связано исключительно с весом, с которым верхние слои давят на нижние. Чем выше поднимается человек, тем меньше воздушный столб над ним, и, соответственно, меньше будет давление. Приблизительно на высоте 5000 метров изучаемая величина составляет 0,5 атм.

По причине уменьшения давления люди, которые поднимаются в горы, испытывают трудности при дыхании. Процентный состав воздуха остается тот же самый, что и на поверхности земли, однако сокращается число молекул, которые попадают в легкие во время вдоха. Кроме того, путешественники также замечают, что начинают надуваться герметично закрытые сумки из мягкого материала. Происходит это потому, что внутри этих сумок давление оказывается больше (равное 1 атм.), чем снаружи.

Помимо высоты, температура и влажность — это еще два фактора, которые влияют на значение давления в атмосфере.

Виды барометров

В сообщении следует отметить, что начиная с середины XVII века было замечено, что изменение атмосферного давления является надежным индикатором предсказаний состояния погоды в ближайшие часы и даже дни. С тех пор человек стал использовать эти знания в метеорологических целях. Для этого необходимы были точные приборы, способные улавливать малейшие изменения давления.

Первым барометром стал ртутный, созданный Торричелли

Первым барометром стал ртутный, созданный Торричелли. Он представляет собой стеклянную трубку длиной 0,85 метра, которая сверху запаяна, а снизу открытым концом помещена в небольшой резервуар со ртутью. Резервуар имеет прямое сообщение с атмосферой. На стеклянную трубку нанесена точная шкала, позволяющая определить десятые доли миллиметра. Этот прибор обладает высокой точностью, однако имеются следующие недостатки его использования:

  1. Токсичность жидкой ртути, по этой причине такой тип барометров в настоящее время редко используется.
  2. Температурное расширение и изменение плотности ртути, хотя последняя величина для 0 °C и +40 °C отличается всего на 0,7%.
  3. Громоздкость прибора, имеющего почти 1 метр в длину.

По этим причинам сейчас широкое распространение получили анероиды. Эти барометры представляют собой небольшой металлический корпус, в котором находится рабочая капсула. Она, как правило, изготовлена из сплава бериллия и меди, который испытывает заметные упругие деформации при изменении внешнего давления. Капсула соединяется со стрелкой, которая указывает на определенное деление шкалы.

Анероидный барометры

Анероидные барометры являются более безопасными, удобными и пригодными для использования, если их сравнивать со ртутными. Однако, они менее точные, поскольку рабочая капсула имеет линейное упругое поведение во время деформации лишь в очень узких пределах.

Таким образом, опыт итальянского ученого Торричелли доказывает существование веса у воздуха и измеряет оказываемое им давление. Также в процессе эксперимента был создан первый в мире барометр, отличающийся высокой точностью показаний.

Оцените статью
Na5.club
Добавить комментарий

Adblock
detector