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大氣壓
 

氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力,即在數值上等於單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力。著名的馬德堡半球實驗證明了它的存在。[1]

基本信息

中文名稱:大氣壓強

外文名稱:atmospheric pressure

別稱:大氣壓,氣壓

提出者:奧托·馮·格里克

提出時間:1643年

應用學科:物理

特點:大氣壓隨高度的增加而減小

概念

大氣壓強的簡稱。是作用在單位面積上的大氣壓力,即等於單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量。氣壓大小與高度、溫度等條件有關。一般隨高度增大而減小。在水平方向上,大氣壓的差異引起空氣的流動。表示氣壓的單位,習慣上常用水銀柱高度。例如,一個標準大氣壓等於760毫米高的水銀柱的重量,它相當於一平方厘米麵積上承受1.0336公斤重的大氣壓力。國際上統一規定用"百帕"作為氣壓單位。經過換算: 一個標準大氣壓=1013百帕(毫巴)。 深圳市的年平均氣壓為1009.8百帕。

單位與換算

氣壓的國際制單位是帕斯卡,簡稱帕,符號是Pa。氣象學中,人們一般用千帕(kPa)、或使用百帕(hpa)作為單位。

其它的常用單位分別是:巴(bar,1bar=100,000帕)和厘米水銀柱(或稱厘米汞柱)。氣壓不僅隨高度變化,也隨溫度而異。氣壓的變化與天氣變化密切相關。

標準大氣壓的單位:習慣上常用水銀柱高度。例如,一個標準大氣壓等於760毫米高的水銀柱的重量,它相當於一平方厘米麵積上承受1.0336公斤重的大氣壓力。由於各國所用的重量和長度單位不同,因而氣壓單位也不統一,這不便於對全球的氣壓進行比較分析。因此,國際上統一規定用"百帕"作為氣壓單位。

經過換算:一個標準大氣壓=1.013×105帕

1個標準大氣壓=760mm水銀(汞柱)柱高

1MPa(兆帕)=1000kPa(千帕)=1000000Pa(帕斯卡)

1bar(巴) = 0.1MPa

1atm(標準大氣壓)=0.1013MPa=1.013bar=760mmHg=10.33mH2O

1kgf/cm2(工程公斤力)=0.981bar=0.0981Mpa

1psi(Lb/in2 )=0.07031kgf/cm2=0.06893 bar=6.893kpa

1MPa=145psi

Psi(lb/in2 )磅/平方英寸,常用在歐美等英語區國家的產品參數上

通常在行業說的「公斤」是指「bar」[2]

氣壓成因

從分子動理論可知,氣體的壓強是大量分子頻繁地碰撞容器壁而產生的。單個分子對容器壁的碰撞時間極短,作用是不連續的,但大量分子頻繁地碰撞器壁,對器壁的作用力是持續的、均勻的,這個壓力與器壁面積的比值就是壓強大小。

測量方法

氣象上常用的測定儀器有液體(如水銀)氣壓表和固體(如金屬空盒)氣壓表兩種。氣壓記錄是由安裝在溫度少變,光線充足的氣壓室內的氣壓表或氣壓計測量的,有定時氣壓記錄和氣壓連續記錄。人工目測的定時氣壓記錄是採用動槽式或定槽式水銀氣壓表測量的,基本站每日觀測4次,基準站每日觀測24次。氣壓連續記錄和遙測自動觀測的定時氣壓記錄採用的是金屬彈性膜盒作為感應器而記錄的,可獲得任意時刻的氣壓記錄。採用這些儀器測量的是本站氣壓,根據本站拔海高度和本站氣壓、氣柱溫度等參數可以計算出海平面氣壓。

氣壓以百帕為單位,取小數一位;有的也以毫米水銀柱高度為單位,取小數兩位。毫米與百帕的換算關係是

1百帕=0.750069毫米(水銀柱高度)≈3/4毫米(水銀柱高度)

1毫米=1.333224百帕≈4/3百帕

我國的氣壓觀測在1953年及以前採用的是以毫米水銀柱高度記錄的,1954年及以後是以百帕記錄的,兩種記錄合併使用時,須換算為同一種單位。

計算方法

通常有平衡條件法和牛頓運動定律法(公式只是粗略計算 而且有時測的值不准,一切都應以實際為準)。

1.在托里拆利測出了氣壓後,人們通過公式p=F/S,求出了在單位面積上的空氣有多少的質量。再套用空氣密度,求出體積,再除以質量,即可知道地面至大氣圈頂部的距離。

2.已知:氣體體積、物質的量、絕對溫度時,可用公式PV=nRT求出氣體壓強(其中R是常數,R=8.314帕·米3/摩爾·K或R=0.0814大氣壓·升/摩爾·K)。這個公式還有變形公式pV=mRT/M、p=ρRT/M。

3.p=ρ水銀gh 【水銀密度*9.8*水銀柱高=標準大氣壓】

影響因素

氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度、大氣密度等有關,一般隨高度升高按指數律遞減。

氣壓有日變化和年變化。一年之中,冬季比夏季氣壓高。一天中,氣壓有一個最高值、一個最低值,分別出現在9~10時和15~16時,還有一個次高值和一個次低值,分別出現在21~22時和3~4時。氣壓日變化幅度較小,一般為0.1~0.4千帕,並隨緯度增高而減小。氣壓變化與風、天氣的好壞等關係密切,因而是重要氣象因子。通常所用的氣壓單位有帕(Pa)、毫米水銀柱高(mm·Hg)、毫巴(mb)。它們之間的換算關係為:100帕=1毫巴≈3/4毫米水銀柱高。氣象觀測中常用的測量氣壓的儀器有水銀氣壓表、空盒氣壓表、氣壓計。溫度為0℃時760毫米垂直水銀柱高的壓力,標準大氣壓最先由意大利科學家托里拆利測出。

測量工具

測量氣壓的儀器,最常見的有水銀氣壓表和空盒氣壓表兩種。也是比較準確的幾種儀器。

在三個世紀以前,德國的馬德堡市曾公開做了一個實驗,市長,發明抽氣機的奧托.格里克將兩個直徑為37厘米的空心銅半球合起來,使之密不漏氣,然後用抽氣機把銅球里的空氣抽掉。在每個半球的環上各拴上四匹壯馬同時向相反方向拉,兩個半球無法分開。最後,用了16匹大馬,隨着一聲巨響銅球才一分為二。這就是著名的馬德堡半球實驗。該實驗說明,空氣不僅是有壓力的,而且這個壓力還很大。一個成年人的身體表面積平均為2平方米,他全身所受的大氣壓力為20萬牛頓

氣壓即大氣壓強。空氣是有重量的,氣壓是指大氣施加於單位面積上的。所謂某地的氣壓,就是指該地單位面積垂直向上延伸到大氣層頂的空氣柱的總重量。氣象上常用百帕做為氣壓的度量單位。具體是這樣規定的:把溫度為0℃、緯度為45度的海平面作為標準情況時的氣壓,稱為1個大氣壓,其值為760毫米水銀柱高,或相當於1013.25百帕。

發現歷史

17世紀以前的人們認為自然界不存在真空,即所謂「自然界厭惡真空」。對於抽水機能把水抽上來,認為是活塞上升後,水要立即填滿活塞原來占據的空間,以阻止真空的形成。    在17世紀中葉,著名意大利物理學家伽利略聽到一個奇特的事實:一台抽水機至多能把水抽到10m高,無論怎樣改進抽水機,也不能把水抽得更高了。他想自然界害怕真空是有限度的,這個限度可以用水柱的高度量出來。不久他就去世了。對這個問題的研究由他的學生托里拆利繼續進行。    托里拆利預料,因為水銀的密度大約是水的14倍,如果用水銀代替水,水銀升起的高度應該是水升起高度的1/14。托里拆利設計了用水銀柱檢驗這個預想的方案。1643年他的學生做了這個試驗,結果證明了他的預想是正確的。在托里拆利試驗中,玻璃管內水銀面的上方就是真空,可見自然界是可以存在真空的。管內的水銀柱是被大氣壓支持着的。托里拆利試驗不但揭示了大氣壓的存在,而且測出了大氣壓的值。    托里拆利試驗的消息傳到法國,引起了科學家們的廣泛興趣。帕斯卡推論說,如果水銀柱是被大氣壓支持着的,那麼在海拔較高的地方,水銀柱應該較短。1648年他的朋友沿多姆山山坡從山腳到山頂設立了若干觀察站,每個站上裝一個托里拆利氣壓計,結果發現水銀柱的高度隨高度的增加而減小,證明了帕斯卡推論的正確。    同一時期,德國的科學家格里克也進行了大氣壓強的試驗研究,他做了一個水氣壓計,水能升高到他住房的第三層,格里克認為水的上升是大氣壓的作用。通過長期的觀察,他還發現水柱高度的變化與天氣有關,1660年他根據一次氣壓的突然下降,預報了一場大的風暴。[3]

相關視頻

大氣壓的存在

參考來源

  1. 壓力的概念及單位,氣動馬達網
  2. mpa、psi、bar與大氣壓該如何換算?,快資訊網,2015-11-13
  3. 大氣壓發現的歷史,學科網,2013-08-27