標籤:大氣壓

標準大氣壓,在標準大氣條件下海平面的氣壓,其值為101.325kPa,是壓強的單位,記作atm。化學中曾一度將標準溫度和壓力(STP)定義為0°C(273.15K)及101.325kPa(1atm),但1982年起IUPAC將「標準壓力」重新定義為100 kPa。

1基本信息

標準大氣壓,在標準大氣條件下海平面的氣壓,其值為101.325kPa,是壓強的單位,記作atm。

2換算關係

1標準大氣壓=760mm汞柱=76cm汞柱=1.01325×10^5Pa=10.336m水柱。1標準大氣壓=101325 N/㎡。(在計算中通常為 1標準大氣壓=1.01×10^5 N/㎡)。

3相關實驗

馬德堡半球實驗
馬德堡半球實驗

  馬德堡半球實驗

馬德堡半球實驗(德語:Magdeburger Halbkugeln),亦作馬格德堡半球實驗,是1654年時,當時的馬德堡市長奧托·馮·格里克於羅馬帝國的雷根斯堡(今德國雷根斯堡)進行的一項科學實驗,目的是為了證明真空的存在。而此實驗也因格里克的職銜而被稱為「馬德堡半球」實驗。當年的進行實驗的兩個半球仍保存在慕尼黑的德意志博物館中。現時也有供教學用途的仿製品,用作示範氣壓的原理,它們的體積也比當年的半球小得多,把半球的空間抽真空,不需再用十多匹馬,有的只需四個人便可拉開。
人物簡介
奧托·馮·格里克

  奧托·馮·格里克

奧托·馮·格里克(德語:Otto von Guericke,1602年11月20日~1686年5月11日)德國物理學家、政治家,他出生在馬德堡貴族家庭,就讀於萊布尼茲和萊頓大學。他曾在軍隊中以工程師身份服役,曾於1646年~1676年間任馬德堡市市長。這時他一方面從政,一方面從事自然科學的研究。他於1650年發明了活塞式真空泵,並利用這一發明於1657年設計並進行了著名的馬德堡半球實驗,展示了大氣壓的大小並推翻了之前亞里士多德提出的「自然界厭惡真空」(horror vacui)的假說。
原由
1654年,他聽到托里拆利的事兒,又聽說還有許多人不相信大氣壓;還聽到有少數人在嘲笑托里拆利;再聽說雙方爭論得很激烈,互不相讓,針鋒相對。因此,格里克雖在遠離義大利的德國,但很抱不平,義憤填膺。
他匆匆忙忙找來玻璃管子和水銀,重新做托里拆利這個實驗,斷定這個實驗是準確無誤的;再將一個密封完好的木桶中的空氣抽走,木桶就「砰!」的一聲被大氣「壓」碎了!
有一天,他和助手做成兩個半球,直徑14英寸,即30多厘米,並請來一大隊人馬,在市郊做起「大型實驗」。
這年5月8日的這一天,美麗的馬德堡市風和日麗,晴空萬里,十分爽朗,一大批人圍在實驗場上,熙熙嚷嚷十分熱鬧。有的說這樣,有的說那樣;有的支持格里克,希望實驗成功;有的斷言實驗會失敗;人們在議論著,在爭論著;在預言著;還有的人一邊在大街小巷裡往實驗場跑,一邊高聲大叫:「市長演馬戲了!市長演馬戲了……」
格里克和助手當眾把這個黃銅的半球殼中間墊上橡皮圈;再把兩個半球殼灌滿水后合在一起;然後把水全部抽出,使球內形成真空;最後,把氣嘴上的龍頭擰緊封閉.這時,周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在一起。
格里克一揮手,四個馬夫牽來十六匹高頭大馬,在球的兩邊各拴四匹.格里克一聲令下,四個馬夫揚鞭催馬、背道而拉!好像在「拔河」似的。「加油!加油!」實驗場上黑壓壓的人群一邊整齊地喊著,一邊打著拍子。4個馬夫,16匹大馬,都搞得渾身是汗.但是,銅球仍是原封不動.格里克只好搖搖手暫停一下。
然後,左右兩隊,人馬倍增.馬夫們喝了些開水,擦擦頭額上的汗水,又在準備著第二次表現。格里克再一揮手,實驗場上更是熱鬧非常.16匹大馬,死勁抗拉,八個馬夫在大聲吆喊,揮鞭催馬……實驗的上的人群,更是伸長脖子,一個勁兒地看著,不時地發出「嘩!嘩!」的響聲。 突然,「啪!」的一聲巨響,銅球分開成原來的兩半,格里克舉起這兩個重重的半球自豪地向大家高聲宣告:「先生們!女士們!市民們!你們該相信了吧!大氣壓是有的,大氣壓力是大得這樣厲害!這麼驚人!……」
原理
實驗結束后,仍有些人不理解這兩個半球為什麼拉不開,七嘴八舌地問他,他又耐心地作著詳盡的解釋:「平時,我們將兩個半球緊密合攏,無須用力,就會分開.這是因為球內球外都有大氣壓力的作用;相互抵消平衡了.好像沒有大氣作用似的.今天,我把它抽成真空后,球內沒有向外的大氣壓力了,只有球外大氣緊緊地壓住這兩個半球……」.
通過這次「大型實驗」,人們都終於相信有真空;有大氣;大氣有壓力;大氣壓很驚人,但是,為了這次實驗,格里克市長竟花費了4千英鎊.
社會評價
今天,人們可以在慕尼黑的德意志博物館看到這個實驗的原始「設備」,也就是那兩個半球。世紀之交時,馬德堡市在當時的德國園林博覽會場地內建起了一座「千年塔」,裡面也放了兩個半球,以紀念格里克,不過是複製品了。
為了紀念這位老市長,馬德堡人在老市政廳旁的小廣場上豎起了他的雕像,還用他來為年輕的馬德堡大學命名。
結論
馬德堡半球實驗證明:大氣壓力是非常強大的。實驗中,將兩個半球內的空氣抽掉,使球內的空氣粒子的數量減少, 下降。球外的大氣便把兩個半球緊壓在一起,因此就不容易分開了。抽掉越多,壓力越大。

4發展沿革

標準大氣壓值的規定,是隨著科學技術的發展,經過幾次變化的。最初規定在攝氏溫度0℃、緯度45°、晴天時海平面上的大氣壓強為標準大氣壓,其值大約相當於760mm汞柱高。後來發現,在這個條件下的大氣壓強值並不穩定,它受風力、溫度等條件的影響而變化。於是就規定760mm汞柱高為標準大氣壓值。但是後來又發現760mm汞柱高的壓強值也是不穩定的,汞的密度大小受溫度的影響而發生變化;g值也隨緯度而變化。
為了確保標準大氣壓是一個定值,1954年第十屆國際計量大會決議聲明,規定標準大氣壓值為101.325kPa。
地球的周圍被厚厚的空氣包圍著,這些空氣被稱為大氣層。空氣可以像水那樣自由的流動,同時它也受重力作用。因此空氣的內部向各個方向都有壓強,這個壓強被稱為大氣壓。1643年,義大利科學家托里拆利在一根80cm長的細玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中,發現玻璃管中的水銀大約下降了4cm后就不再下降了。這4cm的空間無空氣進入,是真空。托里拆利據此推斷大氣的壓強就等於水銀柱的長度。根據壓強公式科學家們準確地算出了大氣壓在標準狀態下為1.01×10^5帕(Pa)。 為了證實大氣壓力和真空空的存在,1654年格里克在德國馬德堡作了著名的馬德堡半球實驗,這讓人們對大氣壓有了深刻的認識。
大氣壓的變化跟高度有關。大氣壓是由大氣層受到重力作用而產生的,離地面越高的地方,大氣層就越薄,那裡的大氣壓就應該越小。不過,由於跟大氣層受到的重力有關的空氣密度隨高度變化不均勻,因此大氣壓隨高度減小也是不均勻的。

5影響因素

大氣壓的變化還跟天氣有關。在不同時間,同一地方的大氣壓並不完全相同。我們知道,水蒸氣的密度比空氣密度小,當空氣中含有較多水蒸氣時,空氣密度要變小,大氣壓也隨著降低。一般說來,陰雨天的大氣壓比晴天小,晴天發現大氣壓突然降低是將下雨的先兆;而連續下了幾天雨發現大氣壓變大,可以預計即將轉晴。另外,大氣壓的變化跟溫度也有關係。因氣溫升高時空氣密度變小,所以氣溫高時大氣壓比氣溫低時要小些
大氣壓不是固定不變的。為了比較大氣壓的大小,在1954年第十屆國際計量大會上,科學家對大氣壓規定了一個「標準」:在緯度45°的海平面上,當溫度為0℃時,760mm高水銀柱產生的壓強叫做標準大氣壓。既然是「標準」,在根據液體壓強公式計算時就要注意各物理量取值的準確性。從有關資料上查得:0℃時水銀的密度為13.595×103kg/m^3,緯度45°的海平面上的g值為9.80672N/kg。於是可得760mm高水銀柱產生的壓強為
P水銀=ρ水銀gh
=13.595×10^3kg/m^3×9.80672N/kg×0.76m
=1.01325×10^5Pa。
這就是1標準大氣壓的值,記為1atm
國家標準GB1920-80 標準大氣(30公里以下部分)規定:選取1976年美國標準大氣,其30公里以下部分作為中國國家標準,30公里以上部分可參考使用。標準重力加速度g=9.80665 N/kg,海平面絕對溫度T=288.150 K,海平面空氣密度ρ=1.2250 kg/m^3。
在最近的科學工作中,為方便起見,有另外將1標準大氣壓定義為100kPa的,記為1bar。故現在提到標準大氣壓,也可以指100kPa
溫度、濕度與大氣壓強的關係:濕度越大大氣壓強越小。
初中物理老師告訴我們:「大氣壓的變化跟天氣有密切的關係.一般地說,晴天的大氣壓比陰天高,冬天的大氣壓比夏天高。」對這段敘述,就是老師也往往不易說清,筆者認為,這個問題可歸結為溫度、濕度與大氣壓強的關係問題。今談談自己的初步認識。
我們通常所稱的大氣,就是包圍在地球周圍的整個空氣層。它除了含有氮氣、氧氣及二氧化碳等多種氣體外,還含有水汽和塵埃。我們把含水汽很少(即濕度小)的空氣稱「干空氣」,而把含水汽較多(即濕度大)的空氣稱「濕空氣」。不要以為「干」的東西一定比「濕」的東西輕。其實,干空氣的分子量是28.966,而水汽的分子量是18.016,故干空氣分子要比水汽分子重。在相同狀況下,干空氣的密度也比水汽的密度大。水汽的密度僅為干空氣密度的62%左右。
應當說,由於大氣處於地球周圍的一個開放空間,而不存在約束其運動範圍的具體疆界,這就使它跟處於密閉容器中的氣體不同。對一個盛有空氣的密閉容器來說,只要容器中氣體未達到飽和狀態,那麼,當我們向容器中輸入水汽的時候,氣體的壓強必然會增加。而大氣的情況則不然。當因自然因素或人為因素使某區域中的大氣濕度增大時,則該區域中的「濕空氣」分子(包括空氣分子和水汽分子)必然要向周圍地區擴散。其結果將導致該區域大氣中的「干空氣」含量比周圍地區小,而水汽含量又比周圍地區大。這猶如在大豆中摻入棉籽時其混合體密度要小於大豆密度一樣,所以該區域的濕空氣密度也就小於其它地區的干空氣密度。這樣,對該區域的一個單位底面積的氣柱而言,其重量也就小於其它干空氣地區同樣的氣柱這也就告訴我們,大氣壓隨空氣濕度的增大而減小。就陰天與晴天而言,實際上也就是陰天的空氣濕度比晴天要大,因而陰天的大氣壓也就比晴天小。
我們知道,氣體分子的「碰撞」是產生氣體壓強的根本原因。因而對大氣壓隨空氣濕度而變化的問題,我們也可以由此作出解釋,根據氣體分子運動的基本理論,氣體分子的平均速率:
則氣體分子的平均動量(僅考慮其大小)
由此可見,平均質量大的氣體分子,其平均動量也大(有的文獻中所言:「干空氣的平均速度也大於濕空氣」,是不正確的)。而對相同狀況下的干空氣與濕空氣來說,由於干空氣中的氣體分子密度及分子的平均質量都比濕空氣要大,且干空氣分子的平均動量也比濕空氣大,因而濕度小的干空氣壓強也就比濕度大的濕空氣大。
當我們給盛有空氣的密閉容器加熱的時候,則其壓強當然也會增大。而對大氣來說情況就不同了。當某一區域的大氣溫度因某種因素而升高時,必將引起空氣體積的膨脹,空氣分子勢必要向周圍地區擴散。溫度高,氣體分子固然會運動得快些,這將成為促進壓強增大的因素。但另一方面,隨著溫度的升高,氣體分子便向周圍擴散,則該區域內的氣體分子數就要減少,從而形成一個促使壓強減小的因素。而實際的情況乃是上述兩種對立因素共同作用的結果。至於這兩種因素中哪個起主要作用,我們不妨來看一看大陸及海洋上氣壓隨氣溫變化的實際情況。我們說,夏季大陸上氣溫比海洋上高,由於大陸上的空氣向海洋上擴散,而使大陸上的氣壓比海洋上低;冬季大陸氣溫比海洋上低,由於海洋上空氣要向大陸上擴散,又使大陸上氣壓比海洋上高。而由此可見,在溫度變化和分子擴散兩個因素中,擴散起著主要的、決定性的作用。應當指出,這裡所說的擴散,是指空氣的橫向流動。因為由空氣的縱向流動並不能改變豎直氣柱的重量(有的文獻②把因溫度而產生的氣壓變化說成是空氣沉浮的結果,這是不妥的),因而也就不能改變大氣的壓強(對重力加速度g因高度變化而產生的影響完全可以忽略)。
由於地球上的大氣總量是基本上恆定的。當一個地區的氣溫增加時,往往伴隨著另一個地區溫度的降低,這就為高溫處的空氣向低溫處擴散帶來了可能。而擴散的結果常常是高溫處的氣壓比低溫處低。當我們生活的北半球是接受太陽熱量最多的盛夏時,南半球卻是接受太陽熱量最少的嚴冬。這時,由於北半球的空氣要向南半球擴散而使北半球的氣壓較南半球要低。而由於大氣總量基本不變,則此時北半球的氣壓就低於標準大氣壓,南半球的氣壓當然也就會高於標準大氣壓。同樣,空氣的反方向擴散又會使北半球冬季的氣壓高於標準大氣壓。因而,在北半球,冬季的大氣壓就會比夏季要高。當然,大氣壓的變化是很複雜的,但對中學課本上的說法作上述解釋還是可以的很詳細啊。
大氣壓一般表示為:1.01×10*5
家用高壓鍋壓力一般在1.7×10*5(114C),或兼帶1.5×10*5(110C)1.3×10*5(106C)
在不同的季節,不同的氣候條件和地理位置等條件下,地球上方大氣壓的值有所不同。本文擇取大氣壓的五種主要變化,做一些分析討論,供參考。
緯度變化
地球表面大氣層里的成份,變化比較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫「濕空氣」,把含水汽較少的空氣叫「干空氣」。有些人直覺地認為濕空氣比干空氣重,這是不正確的。干空氣的平均分子量為28.966,而水氣的分子量只有18.106,所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小。即在相同的物理條件下,干空氣的壓強比濕空氣的壓強大。 在地球表面,由赤道到兩極,隨地理緯度的增加,一方面由於地球的自轉和極地半徑的減小,地球對大氣的吸引力逐漸增大,空氣密度增大;另一方面由於兩極地區溫度較低,所以空氣中的水汽較少,可近似看成干空氣,所以由赤道向兩極,隨地理緯度增加,大氣壓總的變化規律是逐漸增大(因氣候等因素影響,局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規律)。
年變化
同一地區,在一年之中的不同時間其大氣壓的值也有所不同。這叫大氣壓的年變化。大氣壓的年變化,具體又分為三種類型,即大陸型、海洋型和高山型。其中海洋型大氣壓的年變化剛好與大陸型的相反。通常所說的「冬天的大氣壓比夏天高」,指的就是大陸型大氣壓的年變化規律。下面對此略做分析(另外兩種情況不做討論)。
由於大氣處於地球周圍一個開放沒有具體疆界的空間之內,這就使它與密閉容器中的氣體有著很多區別。夏天,大陸中的氣溫比海洋上高,大氣的濕度也比較大(相對冬天而言),這樣大陸上的空氣不斷向海洋上擴散,導致其壓強減小。到了冬天,大陸上氣溫比海洋上低,大陸上的空氣濕度也較夏天小,這樣海洋上的空氣就向大陸上擴散,使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因(大氣溫度也是影響大氣壓的一個因素,但在這裡決定大氣壓變化的因素不是氣溫,而是大氣的流動及大氣的密度)。

氣候變化

大氣壓隨氣候變化的情況比較多,但最為典型的就是晴天與陰天大氣壓的變化。有句諺語叫「晴天的大氣壓比陰天高」,反映的就是大氣壓的這一變化規律。 通常情況下,地面不斷地向大氣中進行長波有效輻射,同時大氣也在不斷地向地面進行逆輻射。晴天,地面的熱量可以較為通暢地通過有效輻射和對流氣層的向上輻散運動向外輸運。陰天時,雲層減少了對流層大氣向外的輻散運動。雲層這種保存地表和對液層熱量的作用稱為「溫室效應」。這樣,陰天地區的大氣膨脹就比較厲害,從而導致陰天地區的大氣橫向向外擴散,使空氣的密度減小,同時陰天地區大氣的濕度比較大,也使大氣的密度減小。因這兩個因素的影響,從而導致陰天的大氣壓比晴天的大氣壓低。

6生活應用

1.高壓鍋(高壓鍋中封閉了空氣,給高壓鍋內空氣加熱時,鍋內氣體壓強增大,使鍋內的水沸騰時溫度更高,更容易煮熟食物
2.真空吸盤(可以依靠外界大氣壓將其壓在牆上,可以掛東西)
應用情況

  應用情況

3.拔罐頭療法(中醫中有一種玻璃罐,將其加熱時迅速按在人體某部位,等罐內空氣冷卻后,會被外界氣壓按照皮膚上,此時用力拔下玻璃罐,會吸出人體內有害的毒血,有利於康復)
4.飛機飛行(飛機機翼上方呈流線型,當空氣流過機翼時,一部分空氣從飛機機翼上方流過,一部分空氣從機翼下方流過,因為機翼上方為流線型,所以空氣要在相同的時間內流過不同的距離則速度不相同,機翼上方空氣流速較大,大氣壓較小;下方很平,空氣流速較小,大氣壓較大,於是。飛機在高速行駛時,機翼下方的大氣壓大,而機翼上方的大氣壓小,機翼上下的壓力差使飛機獲得了升力)
生活實驗證明大氣壓存在
實驗一:模擬馬德堡半球實驗
兩個皮碗口對口擠壓,然後兩手用力往外拉,發現要用較大的力才能拉開。
馬德堡半球實驗和模擬實驗的共同點是:將金屬球內和皮碗內的空氣抽出或擠出,使金屬球內和皮碗內空氣的壓強減小,而外界的大氣壓強就把它們緊緊地壓在一起,要用較大的力才能拉開,這就有力證明了大氣壓強的存在。
實驗二:「瓶吞蛋」實驗
用剝了殼的熟雞蛋堵住廣口瓶口,實驗前用手輕輕用力,不能將雞蛋完整地壓入瓶內。再將點燃的棉球扔入裝有細沙(防止燒裂瓶底)的瓶中,迅速將該熟雞蛋塞住瓶口,待火熄滅后,觀察到雞蛋「嘣」的一聲掉入瓶內。 上述實驗,由於棉花燃燒使瓶內氣壓升高,而驟冷又會使氣壓迅速降低,當瓶內壓強小於瓶外大氣壓強時,雞蛋在大氣壓強的作用下,被壓入瓶內。
實驗三:「覆杯」實驗
玻璃杯內裝滿水,用硬紙片蓋住玻璃杯口,用手按住,並倒置過來,放手后,整杯水被紙片托住,紙片不掉下來。 該實驗玻璃杯內裝滿水,排出了空氣,杯內的水對紙片向下的壓強小於大氣對紙片向上的壓強,因而紙片不掉下來。
分析上述三個實驗,不難理解大氣壓強存在問題。更深入研究:「瓶吞蛋」表明大氣豎直向下有壓強,「覆杯實驗」表明大氣向上有壓強。因而顯示出大氣壓強的特點:大氣向各個方向都有壓強。
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