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无形的大气压强  

2016-09-27 08:23:06|  分类: 感怀自然 |  标签: |举报 |字号 订阅

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无形的大气压强

秋雨

大气压强,简称大气压或气压,就是大气对浸在它里面的物体产生的压强,换句话说,大气压强是指地球上某个位置的空气产生的压强,地球表面的空气受到重力作用,由此而产生了大气压强。气体和液体都具有流动性,它们的压强有相似之处,大气压强向各个方向都有,在同一位置各个方向的大气压强相等,但是由于大气的密度不是均匀的,所以大气压强的计算不能应用液体压强公式。

公元1643年,意大利科学家托里拆利将一根一米长的细玻璃管注满水银,也就是汞,然后把玻璃管倒置在盛有水银的水槽中,发现玻璃管中的水银大约下降到760毫米高度后就不再下降。玻璃管中760毫米刻度之上的空间无空气进入,成了真空。托里拆利据此推断大气的压强就等于水银柱产生的压强,这就是著名的托里拆利实验。

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   德国有一个热爱科学的市长奥托·冯·格里克,他上知天文,下识地理,什么数理、法律、哲学工程等等,无所不知,无所不通。当他得知托里拆利实验后,又听说许多人不相信大气压的存在,还听到有少数人在嘲笑托里拆利,对于大气压强的存在与否争论十分激烈,互不相让,针锋相对。格里克义愤填膺,要为托里拆利打抱不平,他重复了托里拆利实验,断定实验准确无误,他又将一个密封完好木桶中的空气抽走,木桶竟然被大气压强压碎了。格里克决心在众人面前证明大气压强的存在,让助手做成两个半球,直径14英寸,约37厘米,并请来一大队人马,在市郊做起证明大气压强存在实验。

公元165458日,美丽的马德堡市风和日丽,晴空万里,十分爽朗,一大批人围在实验场上,熙熙嚷嚷十分热闹。有人支持格里克,希望实验成功,有人断言实验会失败,更多的人一边在大街小巷里往实验场跑,一边高声大叫:“市长演马戏了!市长演马戏了!”

格里克和助手当众把用黄铜做成的半球壳中间垫上橡皮圈,再把两个半球壳灌满水后合在一起,然后又把水全部抽出,使球内形成真空,最后把气嘴上的龙头拧紧封闭,周围的大气压强把两个半球紧紧地压在一起。

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   格里克令四个马夫牵来十六匹高头大马,先是在球的两边各拴四匹,好像要“拔河”似的。随着四个马夫扬鞭催马,八匹马背道而拉。实验场上黑压压的人群一边整齐地喊着“加油!加油!”一边打着拍子。四个马夫和八匹大马搞得浑身是汗,但铜球仍是原封不动。格里克示意暂停,然后两边人马倍增,马夫们再次挥鞭催马,十六匹大马死劲抗拉,实验场上更是热闹非常。突然一声巨响,铜球分开成原来的两半,格里克举起这两个重重的半球自豪地向大家高声宣告:“先生们!女士们!市民们!你们该相信了吧!大气压强是有的,大气压力是大得这样厉害!这么惊人!”

奥托·冯·格里克著名的马德堡半球实验证明:大气压强的确存在,大气压力是非常强大的。今天的人们依然可以在慕尼黑的德意志博物馆看到这个实验的那两个半球。马德堡市在当时的德国园林博览会场地内建起了一座“千年塔”,里面也放了两个半球的复制品,以纪念奥托·冯·格里克。为了纪念这位老市长,马德堡人在老市政厅旁的小广场上竖起了奥托·冯·格里克的雕像,并用他的名字为年轻的马德堡大学命名。

大气压强产生的原因可以从不同的角度来解释.课本中主要提到的是:空气受重力的作用,空气又有流动性,因此向各个方向都有压强。讲得细致一些,由于地球对空气的吸引作用,空气压在地面上,就要靠地面或地面上的其他物体来支持它,这些支持着大气的物体和地面,就要受到大气压力的作用.单位面积上受到的大气压力,就是大气压强;第二,可以用分子运动的观点解释。因为气体是由大量的做无规则运动的分子组成,而这些分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞。每次碰撞,气体分子都要给予物体表面一个冲击力,大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力,从而形成大气压。若单位体积中含有的分子数越多,则相同时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多,因而产生的压强也就越大。

如今,测量大气压强的基本单位是帕斯卡,也就是牛顿每平方米,地球上的1标准大气压等于101324.99966284帕斯卡,也就是1013.2499966284百帕,百帕是气象上表示大气压强的量纲,1百帕正好是1毫巴。几个世纪前,气象上测量大气压强用的是水银柱气压表,当时用的量纲是毫米汞柱。

在标准状况下,也就是在海平面高度,温度为摄氏0度,重力为9.8066米每秒平方,1标准大气压等于760厘米水银柱。也就是760厘米水银柱等于1013.2499966284毫巴或者百帕,目前我们用百帕,不再用毫巴了。

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 预报天气时,常说的850百帕,相当1500高度的大气压强变化,750百帕是3000的高度,500百帕相当于5500高度气压场的变化等等。在地球上,如果高空上风方气压值变低,说明本地天空将会出现云层,会有雨雪降落,夏半年有时会伴有大风冰雹。

地球上面的空气层密度不是相等的,靠近地表层的空气密度较大,高层的空气稀薄,密度较小。大气压强既然是由空气重力产生的,高度高的地方,它上面空气柱的高度低,密度也小,所以距离地面越高,大气压强越小。大气压强与高度的关系有一个压高公式,该压高公式是假设大气相对于地面处于静止状态,则某一点的气压值等于该点单位面积上所承受铅直气柱的重量。如果某一点高度Z1 处的气压为P1,高度Z2 处的气压为P2,空气密度为ρ,重力加速度为g,压高公式就是:

P2-P1=-ρgZ2-Z1

利用压高公式,分别测出山底和山顶的气压,就可以粗略计算出来山体的高度。如果两个高度差趋于无限小,便可以写成:

-dP=ρgdZ

这就是气象上的大气静力学方程,这个方程说明,气压随高度递减的快慢取决于空气密度和重力加速度的变化。在密度大的气层里,气压随高度递减得快,反之则递减得慢。

火星大气随高度递减要比地球大气慢得多。假设火星奥林匹斯山的底部气压为7百帕,顶部为1百帕,火星的重力加速度是4.36米每秒平方,火星的大气密度不到地球的百分之一,假设为每立方米0.00005千克。由压高公式,便可算出奥林匹斯山的高度:

1百帕-7百帕=-0.00005千克/立方米×4.36/秒平方×Z2-Z1

Z2-Z1=6/4.36/0.00005=27.523千米

实际情况绝非如此简单,火星大气的密度与气温有关,是个变数,大致与地球33千米高度的大气密度相当。地球对流层中,每上升1000米,温度大约降低摄氏6度,但不知道火星上情况如何。因而,目前要想给火星预报天气,实在是太难了。

其次,实验还表明,一切液体的沸点,都是气压减小时减小,气压增大时增大,同种液体的沸点不是固定不变的,说水的沸点是100必须强调是在标准大气压下。由于气压随高度降低,所以水的沸点随高度降低,例如:海拔1000米处水沸点约973000米处约91,在海拔8844.43米的珠穆朗玛峰顶,水在72就可以沸腾,因而在高山上烧饭要用不漏气的高压锅,锅内气压可以高于标准大气压,使水沸点高于100,不但饭熟得快,还可以节省燃料,这就是高压锅的原理。

还有,在气体和液体中,流速越大的位置压强越小,也就是伯努利原理。列车高速运行时,如果距离列车过近,很容易被列车“吸”过去就是这一原理,所以站台上要设定安全线。飞机起飞时,机翼上方的空气流速大压强小,机翼下方的空气流速小压强大,这一压强差产生压力差,使飞机获得竖直向上的升力。

大气压强与人类生存繁衍密不可分,日常生活中的实例不胜枚举,不再详述。

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