V.3. Presiunea atmosferică

Atmosfera este stratul de aer care înconjoară Pământul.

Până în secolul al XVII-lea s-a crezut că aerul nu are greutate. Galileo Galilei (1564-1642), mare matematician, fizician şi astronom italian, a afirmat pentru prima dată că aerul atmosferic are greutate şi că el produce o apăsare asupra tuturor corpurilor de pe Pământ.

Compoziția aerului: 78% azot (N₂), 21% oxigen (O₂), 1% alte gaze (argon, dioxid de carbon, neon, heliu etc.).

Apăsarea aerului atmosferic asupra corpurilor de pe Pământ, datorată greutății aerului poartă numele de presiune atmosferică.

Pentru măsurarea presiunii atmosferice se folosesc barometrele.

Presiunea atmosferică acţionează în toate direcţiile.

👀 Experiment: Apăsarea laterală a aerului asupra unei pungi cu apă.

👀 Experiment: Apăsarea laterală a aerului asupra unei ventuze.

Materiale necesare:
Ventuză.

Descrierea experimentului:

• Lipește o ventuză de o suprafață netedă.
• De ce stă ventuza lipită de perete?

  În momentul în care apăsăm ventuza pentru a o lipi de perete, scoatem aerul din interiorul ei (rămâne vid cu presiunea 0).

Concluzia experimentului:
Datorită presiunii atmosferice care se exercită lateral, ventuza rămâne lipită de perete. Cât timp in interiorul ei nu intră aer, aceasta este ţinută de presiunea aerului. Dacă suprafaţa peretelui nu este netedă şi plană, atunci în interiorul ventuzei rămâne aer, a cărui presiune o egalează pe cea exterioară şi ventuza cade.

👀 Experiment: Apăsarea aerului de sus în jos asupra unei pungi cu apă.

👀 Experiment: Apăsarea aerului de sus în jos asupra apei dintr-o sticlă.
🔥 Atenție când lucrezi cu obiecte ascuțite! Atenție când lucrezi cu acul să nu te înțepi!

Materiale necesare:
Sticlă PET de 0,5L, compas.

Descrierea experimentului:

• Ia o sticlă de 0,5L și umple-o cu apă, apoi pune-i dopul.
• Găurește sticla și vei observa că apă nu țâșnește prin orificiul respectiv.
• Desfă dopul sticlei și imediat apă țâșnește prin orificiu.

  Când sticla este astupată, asupra suprafeței apei din sticlă nu acționează presiunea atmosferică.

Concluzia experimentului:
Când sticla este destupată, asupra suprafeței apei acționează presiunea atmosferică de sus în jos și apă țâșnește din sticlă.

👀 Experiment: Apăsarea aerului de jos în sus.

Materiale necesare:
Pahar cu apă, carton.

Descrierea experimentului:

• Acoperă un pahar plin cu apă cu un carton astfel încât între suprafaţa apei şi hârtie să nu rămână aer.
• Apasă cu palma gura paharului peste carton şi întoarce paharul cu gura în jos.
• Îndepărtează cu grijă palma de pahar (poţi face acest experiment deasupra chiuvetei).

  Apa nu cade din pahar, deoarece presiunea aerului exercitată de jos în sus este mai mare decât presiunea exercitată de apa din pahar asupra cartonului.

Experimentul lui Torricelli:

Primul fizician care a determinat valoarea presiunii atmosferice (în anul 1643) a fost Evangelista Torricelli (1608-1647), elev al lui Galilei. Până la Galileo Galilei se știa că aerul atmosferic apasă asupra corpurilor de pe Pământ, însă nimeni nu știa ce valoare are. Galileo Galilei fiind aproape de sfârşitul vieţii l-a rugat pe Torricelli să rezolve această problemă.

Torricelli a construit primul barometru și a măsurat pentru prima oară valoarea presiunii atmosferice.

• Torricelli a umplut cu mercur un tub de sticlă lung de un metru,foarte subțire și închis la un capăt pe care l-a răsturnat într-un vas cu mercur.

• A observat că numai o mică parte din mercur (Hg) s-a vărsat în vas.

• A măsurat înălțimea coloanei de mercur rămasă în tub, notată

h_colHg = 76cm = 0,76m

• Pentru a calcula presiune atmosferică a aplicat formula presiunii hidrostatice a coloanei de mercur rămasă în tub.

• La același nivel într-un lichid presiunea este aceeași, adică p_A = p_B.

p_A = presiunea atmosferică, notată cu p₀

p_B = presiunea hidrostatică a coloanei de mercur din tub= ρ_Hg ∙ g ∙ h_colHg

p_C = presiunea vidului = 0

p₀ = ρ_Hg ∙ g ∙ h_colHg = 13600 ∙ 9,8 ∙ 0,76 = 101.325 Pa

Aceasta este valoarea presiunii atmosferice.

Presiunea atmosferică variază tot timpul și depinde de doi factori:

1) Altitudinea cu cât este mai mare, cu atât presiunea atmosferică scade deoarece aerul se rarefiează (adică scade concentrația moleculelor de oxigen și azot). La altitudinea 0 (nivelul mării): p₀ = 101.325 Pa.

2) Starea vremii (ploi, temperatura aerului, vânturi etc).

🔐 Aplicații

Variaţia presiunii atmosferice cu altitudinea (scăderea presiunii atmosferice cu creşterea înălţimii) a fost demonstrată de fizicianul francez Blaise Pascal (1623-1662). El a arătat că ascensiunea lichidelor în spaţiu vidat datorită presiunii atmosferice (adică înălţimea coloanei de lichid) se micşorează dacă experienţa se efectuează la înălţimi mari (pe un munte).

Pe Vârful Everest, cel mai înalt punct de pe Pământ, cu o altitudine de 8848 m deasupra nivelului mării, presiunea atmosferică este aproximativ o treime din cea de la nivelul mării, adică p ~ 33.800 Pa.

Pe baza dependenței dintre altitudine și presiunea atmosferică sunt construite altimetrele, folosite la bordul avioanelor, care de fapt sunt niște barometre etalonate direct în metri. Ele măsoară altitudinea (înălțimea față de suprafața Pământului).

Zborul avioanelor cu reacție

Iată un grafic care arată scăderea presiunii atmosferice (p) cu creșterea altitudinii (h):

Zborul la altitudini foarte mari are mai multe avantaje:

• zborul în stratosferă (peste 12.000 m) garantează lipsa turbulențelor, fiind deasupra perturbațiilor atmosferice
• reducerea densității aerului la altitudini mari implică o reducere a tracțiunii aeronavei și o creștere corespunzătoare a vitezei.

Cu toate acestea, chiar faptul că presiunea atmosferică scade rapid odată cu creșterea altitudinii provoacă neplăceri grave, în special pentru echipaj și pasageri: presiunea oxigenului devine periculos de mică peste 8.000 metri, iar țesuturile biologice peste 12.000 m pot suferi daune foarte grave din cauza scăderii presiunii. Prin urmare, toate avioanele cu propulsie cu jet (motoare cu reacție) trebuie să fie echipate cu sisteme de presurizare.

Aeronavele de transport moderne nu mențin în cabină presiunea atmosferică la nivelul mării (1.013,25 hPa), ci o presiune echivalentă cu cea a unei altitudine de aproximativ 2.500 m. Variația altitudinii cabinei în timpul ascensiunii și coborârii aeronavei este păstrată de sistemul de control al presurizării. În esență, aeronava folosește o parte din excesul de aer care este tras de compresoare în motoarele sale cu reacție. Motoarele nu au nevoie de tot aerul pentru ardere, așa că o parte din acesta este extrasă și folosită atât pentru aerul condiționat, cât și pentru presurizare. Excesul de aer din compresoare este răcit și apoi pompat în cabină.

Cât de mult trebuie adăugat aerul pentru a face presiune depinde de volumul cabinei. Deoarece sistemul de presurizare al aeronavei funcționează în combinație cu sistemul de aer condiționat, circulă continuu aerul prin cabină, recirculând o parte din acesta și aerisind restul, deoarece aspiră aer proaspăt din compresorul motorului.

Sistemul de presurizare a aerului conține, de asemenea, mecanisme de siguranță concepute pentru a preveni accidentele. Supapa de eliberare a presiunii pozitive se va deschide dacă presiunea din interior devine prea mare, deoarece în cabină se pompează prea mult aer. Va ameliora acea presiune. Există, de asemenea, supapa de presiune negativă, care protejează aeronava de efectele unei schimbări în care presiunea exterioară ar deveni mai mare decât în interiorul cabinei în timpul unei coborâri bruște.

Depresurizarea poate apărea din cauza defectării sistemului de compresie, din cauza unor erori umane sau tehnice, în urma unor turbulenţe severe, fisuri în parbriz/geam/fuselaj, uși care nu se închid ermetic etc.

1. Decompresia explozivă: are loc într-un ritm alert, de obicei în 0,1 – 0,5 secunde, fiind cauzată de spargerea unui geam, deschiderea unei uși, o gaură în fuselaj. Riscul de truamatism pulmonar este foarte mare. Ce se întâmplă în cazul unei depresurizări rapide:

• măștile de oxigen cad automat. Masca de oxigen asigură oxigen pasagerilor, timp în care piloţii coboară aeronava la plafonul de siguranţă de 2400 metri (8000 ft). Oxigenul nu este nelimitat. El a fost calculat pentru câteva minute (până la 15 minute), timpul necesar ca avionul să ajungă la altitudinea de 2400 metri unde aerul este respirabil.
• se aude un zgomot puternic și nivelul de zgomot crește în cabină
• cabina este acoperită de condens, ca o ceață
• obiectele încep să zboare în cabină, necontrolat
• apa începe să fiarbă instantaneu.

2. Decompresia lentă / graduală: are loc într-un timp îndelungat, până la câteva minute. Acest tip de depresurizare poate fi detectat doar cu instrumentele de bord. Dacă nu se acţionează imediat, depresurizarea lentă necontrolată poate duce la hipoxie. Depresurizarea lentă poate apărea atunci când o ușă nu a fost închisă ermetic sau când sunt probleme la sistemul de presurizare. Pasagerilor li se înfundă urechile, pot apărea dureri abdominale sau disconfort al auzului, nivelul de zgomot crește în avion.

Cel mai mare pericol în cazul depresurizării este hypoxia (aport insuficient de oxigen în organism), cât și posibilitatea de a fi tras din avion (în cazul depresurizarii explozive).

Variaţia presiunii atmosferice în funcție de starea vremii

Aerul circulă din zonele cu presiune ridicată (numite anticicloni) spre cele cu presiuni scăzute (numite cicloni). Cu toate că în zonele de înaltă presiune aerul este mai rece şi mai umed, meteorologii prevestesc acolo un timp frumos, cu cer senin, deoarece vântul împinge norii spre zonele din jur cu presiune mai mică. Deci cerul senin, fără nori ameninţători şi aerul uscat sunt prevestite de creşterea presiunii atmosferice. Vânturile puternice sunt anunţate de situaţia în care zonele de presiune ridicată sunt foarte apropiate de cele cu presiune scăzută.

Datorită variației continue a presiunii atmosferice, s-a impus alegerea unei presiuni de referință, numită presiune atmosferică normală, notată cu p₀.

p₀ = 101.325 Pa = 1 atm = 760 mmHg (ea se măsoară la nivelul mării, la 0°C).

Aplicații ale presiunii atmosferice

Voi simțiți apăsarea aerului atmosferic? Răspunsul este NU. De ce nu simțim apăsarea aerului? Corpul nostru are o presiune interioară (dată în mod deosebit de lichidele din noi: apă, sânge etc.) care o egalează pe cea exterioară, a aerului.

Dar ce s-ar întâmpla cu noi dacă am ieși în spațiu cosmic, unde este vid și presiunea este zero? La presiune = 0, apa nu mai fierbe la 100°C, ci la 0°C și în câteva secunde sângele nostru ar începe să fiarbă și am muri. Iată de ce cosmonauții când ies în spațiu cosmic folosesc costume speciale de cosmonauți care sunt presurizate (au în interior niște tuburi cu apă) și care înlocuiesc apăsarea aerului.

Pe Venus temperatura la suprafață ajunge până la 450 de grade Celsius, iar presiunea atmosferica este uriașă, de 92 de ori mai mare decât cea a Pământului. Acolo apăsarea atmosferei (compusă din 96,5% dioxid de carbon, 3,5% azot) ne-ar strivi pur și simplu.

Un experiment celebru pentru evidențiere presiunii atmosferice a fost efectuat în 1650 de către Otto von Guericke, care a folosit două semisfere unite etanș și vidate în interior. Oamenii au încercat să desprindă semisferele asupra cărora apăsa aerul atmosferic, dar nu au reușit. Pentru a despărți cele două semisfere au fost înhămați câte opt cai de fiecare parte. Semisferele se găsesc și azi la Muzeul german din München.

👀 Experiment: Legea gazelor și cum să respirăm.

Materiale necesare:
Vas prevăzut cu un dop perforat cu un tub, 3 pahare Berzelius, apă colorată, apă caldă și apă rece.

Descrierea experimentului:

• Se ia un vas prevăzut cu un dop perforat cu un tub.
• Se introduce tubul într-un alt vas cu apă.
• Se încălzește aerul din vasul cu tub. Ce observi ?

  Când încălzim aerul din vasul cu tub, aerul intră în apă. La creșterea temperaturii, aerul se dilată, își mărește volumul și îi scade presiunea față de cea atmosferică (exterioară).

• Se răcește aerul din vasul cu tub. Ce observi ?

  Când răcim aerul din vasul cu tub, apă urcă în tub. La scăderea temperaturii, aerul se contractă, își micșorează volumul și îi crește presiunea față de cea atmosferică (exterioară).

Concluzia experimentului:
Presiunea gazelor este invers proporțională cu volumul acestora, adică la creșterea presiunii, scade volumul gazului și invers.

Matematic scriem:

Am văzut că volumul gazului crește direct proporțional cu temperatura acestuia.

Matematic scriem:

Combinând cele două ecuații, obținem legea gazelor ideale:

Observaţie:

La volum constant presiune este direct proporțională cu temperatura (nu este cazul în acest experiment, deoarece volumul aerului ori a crescut, ori a scăzut).

Aplicație la Legea gazelor

O aplicație a relației de inversă proporționalitate a presiunii cu volumul aerului este respirația la om.

Astfel:

• La inspirație crește volumul plămânilor, scade presiunea interioară față de cea exterioară (atmosferică) și aerul intră în plămâni.

• La expirație scade volumul plămânilor, crește presiunea interioară față de cea exterioară (atmosferică) și aerul iese din plămâni.

🔓 Probleme rezolvate

1. Calculează forța de apăsare pe care aerul atmosferic o exercită asupra unui geam cu lungimea de 1 m și lățimea de 60 cm, știind că presiunea aerului este 10⁵ Pa.

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
L = 1 m
l = 60 cm = 0,6 m
p = 100.000 Pa
F = ?

Scriem formula presiunii și scoatem necunoscuta, F:

Calculăm aria geamului și înlocuim datele:
S = L ∙ l = 1 m ∙ 0,6 m = 0,6 m²
F = p ∙ S = 100.000 Pa ∙ 0,6 m² = 60.000 N

Observăm o forță enormă din partea aerului asupra geamului și totuși geamul nu se sparge, deoarece aerul acționează și din exterior și din interior cu aceeași forță, având o forță rezultantă egală cu zero.

2. Ce lungime ar trebui să aibă tubul lui Torricelli, dacă în loc de mercur am folosi apă ? Presiunea atmosferică normală este de 100.000 Pa, iar densitatea apei este 1000 kg/m³.

Rezolvare:

Notăm datele problemei:
h_{col. apă} = ? m
p = 100.000 Pa
ρ = 1000 kg/m³

Scriem formula presiunii atmosferice și scoatem necunoscuta, h_{col. apă} :

3. Un pahar de 400 cm³ și cu diametrul gurii de 6 cm, plin cu apă, se acoperă cu un carton și se răstoarnă. Densitatea apei este 1000 kg/m³.

Se cere:

a) Ce forță de apăsare exercită apa asupra cartonului ?

b) Ce forță de apăsare exercită aerul atmosferic asupra cartonului, știind presiunea aerului de 100.000 Pa ?

Rezolvare:

Notăm datele problemei și le transformăm în SI:
F_{col. apă} = ?
F_{col. aer} = ?
p = 100.000 Pa
ρ = 1000 kg/m³
V = 400 cm³ = 400 ∙ (0,01m)³ = 0,0004 m³
D = 6 cm
R_cerc = D/2 = 3 cm = 0,03 m

Forța de apăsare a apei este chiar greutatea apei din pahar:

F_{col. apă} = G_{col. apă} = m ∙ g = ρ_apă ∙ V ∙ g = 1000 kg/m³ ∙ 0,0004 m³ ∙ 10 N/kg = 4 N

Forța de apăsare a aerului o aflăm din formula presiunii: