THÍ NGHIỆM TORRICELLI: PHÉP ĐO ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN, TẦM QUAN TRỌNG - VẬT LÝ - 2026

Các thí nghiệm Torricelli được thực hiện bởi nhà toán học vật lý và Ý Evangelista Torricelli năm 1644 và kết quả trong việc đo lường đầu tiên của áp suất khí quyển.

Thí nghiệm này nảy sinh từ nhu cầu cải thiện việc cung cấp nước ở các thành phố. Evangelista Torricelli (1608-1647), là nhà toán học của triều đình cho Đại công tước Tuscany Ferdinand II, đã nghiên cứu các hiện tượng thủy lực cùng với Galileo.

Hình 1. Thí nghiệm của Torricelli, trong đó cột thủy ngân tăng 760 mm do áp suất khí quyển. Nguồn: F. Zapata.

Cuộc thí nghiệm

Năm 1644, Torricelli đã thực hiện một thí nghiệm sau:

- Người ta đưa thủy ngân vào một ống dài 1m, hở ở đầu này và đóng ở đầu kia.

- Khi ống đã đầy hoàn toàn, anh ta đảo ngược ống và đổ vào một bình cũng chứa thủy ngân.

- Torricelli quan sát thấy cột đi xuống và dừng lại ở độ cao khoảng 76 cm.

- Ông cũng nhận thấy rằng một chân không đã được tạo ra trong không gian tự do, mặc dù không hoàn hảo.

Torricelli lặp lại thí nghiệm bằng các ống khác nhau. Ông thậm chí còn tạo ra một biến thể nhỏ: ông thêm nước vào xô, thứ nhẹ hơn, nổi trên mặt thủy ngân. Sau đó người đó từ từ nâng ống chứa thủy ngân lên mặt nước.

Sau đó thủy ngân đi xuống và nước đi lên. Chân không thu được, như chúng ta đã nói, không hoàn hảo, vì luôn có tàn dư của hơi thủy ngân hoặc nước.

Phép đo áp suất khí quyển

Khí quyển là một hỗn hợp các khí trong đó nitơ và oxy chiếm ưu thế, với các dấu vết của các khí khác như argon, carbon dioxide, hydro, mêtan, carbon monoxide, hơi nước và ozon.

Lực hấp dẫn do Trái đất tác dụng có nhiệm vụ giữ toàn bộ xung quanh hành tinh.

Tất nhiên, thành phần không đồng nhất và mật độ cũng vậy, vì nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Gần bề mặt có rất nhiều bụi, cát và các chất ô nhiễm từ các sự kiện tự nhiên và cả từ hoạt động của con người. Các phân tử nặng hơn ở gần mặt đất hơn.

Vì có rất nhiều sự thay đổi, cần phải chọn độ cao tham chiếu cho áp suất khí quyển, để thuận tiện cho việc này, người ta đã lấy độ cao này làm mực nước biển.

Ở đây nó không chỉ là mực nước biển, bởi vì điều đó cũng thể hiện những biến động. Mức hoặc mốc được chọn với sự trợ giúp của một số hệ quy chiếu trắc địa được cố định theo thỏa thuận chung giữa các chuyên gia.

Áp suất khí quyển gần mặt đất có giá trị là bao nhiêu? Torricelli đã tìm ra giá trị của nó khi ông đo chiều cao của cột: 760 mm thủy ngân.

Phong vũ biểu Torricelli

Ở đầu ống áp suất là 0, vì ở đó đã có chân không. Trong khi đó, trên bề mặt của thùng thủy ngân, áp suất P ₁ là áp suất khí quyển.

Hãy chọn gốc của hệ quy chiếu trên bề mặt tự do của thủy ngân, ở đầu ống. Từ đó đến bề mặt của thủy ngân trong bình, đo H, chiều cao của cột.

Hình 2. Phong vũ biểu Torricelli. Nguồn: Vật lý đại cương cho kỹ sư. J. Lay. USACH.

Áp suất tại điểm được đánh dấu màu đỏ, ở độ sâu y ₁ là:

Trong đó ρ _Hg là khối lượng riêng của thủy ngân. Vì y ₁ = H và Po = 0:

Vì khối lượng riêng của thủy ngân không đổi và trọng lực không đổi, nên chiều cao của cột thủy ngân tỷ lệ với P _{1 ,} là áp suất khí quyển. Thay thế các giá trị đã biết:

Đơn vị của áp suất trong Hệ thống quốc tế là pascal, viết tắt là Pa, theo thí nghiệm của Torricelli, áp suất khí quyển là 101,3 kPa.

Tầm quan trọng của áp suất khí quyển đối với khí hậu

Torricelli quan sát thấy mức độ thủy ngân trong ống biến đổi nhỏ mỗi ngày, vì vậy ông suy ra rằng áp suất khí quyển cũng phải thay đổi.

Áp suất khí quyển chịu trách nhiệm về phần lớn khí hậu, tuy nhiên các biến thể hàng ngày của nó không được chú ý. Đó là bởi vì chúng không đáng chú ý như bão hoặc lạnh chẳng hạn.

Tuy nhiên, những thay đổi về áp suất khí quyển là nguyên nhân gây ra gió, ảnh hưởng đến lượng mưa, nhiệt độ và độ ẩm tương đối. Khi mặt đất nóng lên, không khí nở ra và có xu hướng bay lên, làm giảm áp suất.

Bất cứ khi nào phong vũ biểu chỉ ra áp suất cao, có thể dự kiến ​​thời tiết tốt, trong khi với áp suất thấp thì khả năng có bão. Tuy nhiên, để dự đoán thời tiết chính xác, bạn cần thêm thông tin về các yếu tố khác.

Anh ta

Mặc dù nghe có vẻ lạ, vì áp suất được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích, nên trong khí tượng học, nó hợp lệ để biểu thị áp suất khí quyển bằng milimét thủy ngân, như Torricelli đã thiết lập.

Điều này là do phong vũ biểu thủy ngân tiếp tục được sử dụng cho đến ngày nay với rất ít biến thể kể từ thời điểm đó, do đó để vinh danh Torricelli, 760 mm Hg bằng 1 torr. Nói cách khác:

Nếu Torricelli sử dụng nước thay vì thủy ngân, chiều cao của cột sẽ là 10,3 m. Khí áp kế thủy ngân thực tế hơn vì nó nhỏ gọn hơn.

Các đơn vị khác được sử dụng rộng rãi là thanh và milibar. Một milibar tương đương với một hectopascal hoặc 10 ² pascal.

Máy đo độ cao

Máy đo độ cao là một công cụ cho biết độ cao của một địa điểm, so sánh áp suất khí quyển ở độ cao đó với áp suất trên mặt đất hoặc một nơi quy chiếu khác.

Nếu độ cao không lớn lắm, về nguyên tắc chúng ta có thể cho rằng khối lượng riêng của không khí không đổi. Nhưng đây là một con số gần đúng, vì chúng ta biết rằng mật độ của khí quyển giảm theo độ cao.

Sử dụng phương trình ở trên, khối lượng riêng của không khí được sử dụng thay vì khối lượng riêng của thủy ngân:

Trong biểu thức này, P _o được coi là áp suất khí quyển ở mặt đất và P1 là áp suất của nơi có độ cao được xác định:

Phương trình đo độ cao cho thấy áp suất giảm theo hàm mũ theo độ cao: với H = 0, P ₁ = P _hoặc và nếu H → ∞, thì P ₁ = 0.

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. 2005. Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 5. Chất lỏng và Nhiệt động học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Vật lý: Cái nhìn về thế giới. Phiên bản rút gọn thứ 6. Học tập Cengage.
3. Lay, J. 2004. Vật lý đại cương cho kỹ sư. USACH.
4. Mott, R. 2006. Cơ học chất lỏng. lần thứ 4. Phiên bản. Giáo dục Pearson.
5. Strangeways, I. 2003. Đo lường Môi trường Tự nhiên. lần 2. Phiên bản. Nhà xuất bản Đại học Cambridge.