ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN: GIÁ TRỊ BÌNH THƯỜNG, CÁCH ĐO, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2025

Các áp suất khí quyển là do trọng lượng của khí sáng tác khí quyển trên Trái Đất. Người ta ước tính rằng khối lượng của bầu khí quyển là khoảng 5 x 10 ¹⁸ kg và tất cả các sinh vật sống đều phải chịu áp lực mà khối lượng này gây ra.

Người đầu tiên đo nó là nhà khoa học người Ý Evangelista Torricelli (1608-1647). Ông đã thực hiện một thí nghiệm đơn giản nhưng rất tài tình vào năm 1644: ông đổ đầy thủy ngân vào một ống thủy tinh kín ở một đầu, đảo ngược nó và đổ vào một cái bình cũng chứa thủy ngân.

Hình 1. Phong vũ biểu Aneroid để đo áp suất khí quyển, không giống như phong vũ biểu thủy ngân, nó không chứa chất lỏng. Nguồn: Wikimedia Commons.

Torricelli quan sát thấy rằng ống không rỗng hoàn toàn mà chứa đầy thủy ngân đến độ cao 76 cm. Quá ngạc nhiên, ông đã làm nhiều thử nghiệm với các ống có hình dạng khác nhau, luôn thu được cùng một kết quả.

Bằng cách này, Torricelli nhận ra rằng áp suất khí quyển tăng lên và giữ cho cột thủy ngân bên trong ống ở độ cao 760 mm. Bằng cách này, giá trị trung bình của áp suất khí quyển được thiết lập.

Vì áp suất được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích, nên các đơn vị của áp suất khí quyển trong Hệ thống quốc tế là newton / mét hoặc pascal, được viết tắt là Pa. Vì vậy, trong hệ thống này, áp suất khí quyển P _atm có giá trị là :

Đây là giá trị bình thường của áp suất khí quyển ở 0 ºC và ở mực nước biển.

Áp suất khí quyển ở mực nước biển và các biến thể khác

Theo lý thuyết, giá trị cực đại của áp suất khí quyển chỉ bằng mực nước biển. Mặc dù có rất nhiều biến động ở cấp độ này, các chuyên gia cần thiết lập một số hệ quy chiếu để giúp họ xác định giá trị của nó.

Dưới đây là những yếu tố chính ảnh hưởng đến giá trị của áp suất khí quyển ở một nơi nhất định trên Trái đất:

-Thái độ : cứ lên cao 10m thì áp suất giảm đi 1 mm Hg. Nhưng nó cũng xảy ra rằng mật độ của khí tạo nên bầu khí quyển là không đổi. Về nguyên tắc, khi độ cao tăng lên, mật độ của không khí giảm.

Hình 2. Máy đo độ cao, một dụng cụ đo độ cao trên mực nước biển dựa trên sự thay đổi áp suất. Nguồn: Pixabay.

- Nhiệt độ : rõ ràng càng lên cao nhiệt độ càng giảm khối lượng riêng và khối lượng không khí càng ít nên trị số áp suất càng giảm.

- Vĩ độ : áp suất khí quyển thấp hơn ở các vĩ độ xích đạo, do Trái đất không phải là một khối cầu hoàn hảo. Bờ biển ở xích đạo xa tâm Trái đất hơn so với các cực và ở đó mật độ không khí cũng thấp hơn.

- Tính lục địa : càng di chuyển về phía trong các lục địa, áp suất khí quyển càng cao, còn ở những nơi ven biển, khí áp càng thấp.

Sự thay đổi của áp suất khí quyển theo độ cao

Phương trình đo độ cao liên quan đến áp suất khí quyển P của một nơi có độ cao z trên mực nước biển, có dạng sau:

Ở đây P _o là áp suất ở độ cao ban đầu hoặc độ cao tham chiếu, thường được lấy ở mực nước biển, ρ _hoặc khối lượng riêng của không khí ở mực nước biển và g là giá trị của gia tốc trọng trường. Sau đó trong phần bài tập đã giải là phần suy luận từng bước.

Áp suất khí quyển được đo như thế nào?

Áp suất khí quyển được đo bằng phong vũ biểu. Đơn giản nhất giống như Torricelli xây dựng, dựa trên thủy ngân. Độ nghiêng của ống hoặc đường kính không làm thay đổi chiều cao của cột thủy ngân, trừ khi các yếu tố khí hậu chịu trách nhiệm làm điều đó.

Ví dụ, các đám mây hình thành ở vùng có áp suất thấp. Vì vậy, khi chỉ số phong vũ biểu giảm xuống, đó là dấu hiệu cho thấy thời tiết xấu đang đến.

Trên thực tế, các chất lỏng khác cũng có thể được sử dụng thay thế cho thủy ngân, ví dụ như một áp kế nước có thể được chế tạo. Vấn đề là kích thước của cột là 10,33 m, rất không thực tế để vận chuyển.

Ngoài ra còn có các dụng cụ đo áp suất cơ học - thông qua các biến dạng trong ống hoặc xoắn ốc-: khí áp kế và áp kế. Họ có thể đo sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm hoặc cũng có thể đo áp suất lấy áp suất khí quyển làm tham chiếu.

Đơn vị áp suất

Giá trị áp suất bình thường được sử dụng để xác định một đơn vị áp suất mới: khí quyển, viết tắt là atm. Áp suất khí quyển là 1 atm; Bằng cách này, các áp suất khác có thể được biểu thị bằng áp suất khí quyển, là một giá trị rất quen thuộc đối với tất cả:

Bảng sau đây cho thấy các đơn vị được sử dụng nhiều nhất trong khoa học và kỹ thuật để đo áp suất và giá trị tương đương trong pascal:

Đơn vị	Tương đương trong pascal
N / m 2	một
ATM	101.355
mm Hg	133,3
lb / trong 2	6894,76
Quán rượu	1x 10 5

Áp suất thủy tĩnh, tuyệt đối và đồng hồ đo

Trên bề mặt tự do của chất lỏng ở trạng thái cân bằng tĩnh và mở ra khí quyển, áp suất khí quyển tác động. Nhưng tại các điểm bên trong của chất lỏng, tất nhiên trọng lượng của cột chất lỏng sẽ tác động.

Trọng lượng của cột phụ thuộc vào chiều cao của nó và khối lượng riêng của chất lỏng, chúng ta sẽ giả sử là không đổi, cũng như nhiệt độ. Trong trường hợp này áp suất P là:

Đây là áp suất thủy tĩnh tại bất kỳ điểm nào bên trong chất lưu có tỷ trọng không đổi và tỷ lệ thuận với độ sâu z của chất lưu.

Về áp suất tuyệt đối P _abs trong chất lỏng ở trạng thái nghỉ, nó được định nghĩa là tổng của áp suất khí quyển P _atm và áp suất thủy tĩnh P:

Cuối cùng, áp suất đo P _man trong chất lỏng ở trạng thái nghỉ là hiệu số giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển và trong trường hợp này, nó tương đương với việc đo áp suất thủy tĩnh:

Ví dụ

Lực mà bầu khí quyển tác dụng lên cơ thể

Có thể ước tính độ lớn của tổng lực do khí quyển tác dụng lên cơ thể người. Giả sử rằng vật thể có diện tích bề mặt xấp xỉ 2 m ² , vì áp suất được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích, chúng ta có thể giải và tính lực:

Đối với tính toán này, chúng tôi sẽ sử dụng giá trị bình thường của áp suất khí quyển đã được thiết lập lúc đầu:

Kết quả này tương đương với hơn hoặc ít hơn 20 tấn lực, nhưng nó không phải là vấn đề đối với những sinh vật sống trên bề mặt Trái đất, những người thích nghi với điều này, giống như cá ở biển.

Mặc dù đó là một lực lượng khá lớn. Làm sao chúng ta không gục ngã trước nó?

Áp suất bên trong cơ thể bằng với áp suất bên ngoài. Chúng ta không sụp đổ bởi vì lực hướng vào trong được cân bằng bởi một lực hướng ra khác. Nhưng một số người bị ảnh hưởng bởi độ cao và có thể bị chảy máu mũi khi leo lên những ngọn núi rất cao. Đó là do sự cân bằng giữa huyết áp và áp suất khí quyển đã bị xáo trộn.

Nhâm nhi đồ uống bằng ống hút hoặc ống hút

Áp suất khí quyển giúp bạn có thể uống soda bằng ống hút hoặc ống hút. Người Sumer và các nền văn hóa cổ đại khác đã phát hiện ra rằng họ có thể uống bia bằng cách sử dụng thân cây rỗng hoặc lau sậy làm ống hút.

Rất lâu sau đó, vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, nhiều mẫu ống hút khác nhau đã được cấp bằng sáng chế ở Hoa Kỳ, bao gồm cả loại có khuỷu tay hình đàn accordion, được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Hình 3. Áp suất khí quyển cho phép bạn nhâm nhi bằng ống hút. Nguồn: Pixabay.

Đây là cách chúng hoạt động: Khi chất lỏng được hấp thụ qua ống hút, áp suất phía trên chất lỏng trong ống hút giảm xuống, làm cho áp suất bên dưới cao hơn, đẩy chất lỏng lên trên để dễ uống.

Vì lý do đó, sau khi nhổ răng hoặc phẫu thuật nha khoa, không nên nhấm nháp chất lỏng theo cách này, vì áp lực giảm có thể khiến vết thương bị hở và bắt đầu chảy máu.

Bài tập

- Bài tập 1

Suy ra phương trình độ cao P (z):

-Po là áp suất ở mức tham chiếu (mực nước biển)

-z là chiều cao

-ρ _o là khối lượng riêng của chất lỏng ở mực nước biển

-g là giá trị của gia tốc trọng trường

Giải pháp

Đầu tiên, gọi dp là áp suất chênh lệch, theo phương trình cơ bản của thủy tĩnh học được biểu diễn như sau:

Dấu trừ tính đến thực tế là áp suất giảm khi tăng z. Không khí cũng sẽ được coi là khí lý tưởng, vì vậy áp suất và mật độ có liên quan bởi:

Mật độ ngay lập tức được thay thế để thu được:

Bây giờ, viết áp suất theo cách này giả định rằng khí quyển được chia thành các lớp có độ cao dz, giống như một chồng bánh kếp, mỗi lớp có áp suất dp. Bằng cách này, một phương trình vi phân thu được được giải bằng cách tách các biến p và z:

Sau đó, nó được tích hợp ở cả hai bên, tương đương với việc bổ sung các đóng góp áp lực do mỗi lớp tạo ra. Trong tích phân bên trái, nó được tạo ra từ áp suất P _hoặc áp suất ban đầu đến áp suất cuối cùng P. Theo cách tương tự, tích phân bên phải đánh giá từ z _o đến z:

Sau đây là giải cho P theo cấp số nhân:

Cuối cùng, nếu cả T và g đều không đổi, ρ _o = (M / RT) P _o , thì M / RT = ρ _o / P _o, và chúng ta cũng có thể làm cho z _o = 0. Tổng hợp tất cả những điều này lại với nhau:

- Bài tập 2

Giá trị của áp suất khí quyển ở La Paz, Bolivia nằm ở độ cao 3640 m so với mực nước biển là bao nhiêu? Lấy mật độ không khí trung bình là 1.225 kg / m ³ ở mực nước biển.

Giải pháp

Chỉ cần thay thế các giá trị số đã cho trong phương trình đo độ cao:

Kết luận, nó bằng khoảng 66% áp suất bình thường.

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. Khí quyển tiêu chuẩn. Phục hồi từ: av8n.com
4. Đại học Sevilla. Sự biến đổi của áp suất khí quyển. Được khôi phục từ: laplace.us.es.
5. Wikipedia. Phương trình đẳng tích. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Áp suất không khí. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.