Κάνε κλικ εδώ για να δείτε σε pdf το
Βιβλίο
Βιβλίο Φυσικής: «Βιβλίο
Β Γυμνασίου – Αέρας»
Η επί τοις εκατό (%) κατ' όγκο
σύσταση του ξηρού αέρα κοντά στην επιφάνεια της Γης φαίνεται στην Εικόνα 2-2. Το
78% είναι άζωτο, το 21% οξυγόνο. Το αργό και οι υδρατμοί αποτελούν το
μεγαλύτερο μέρος του υπολοίπου. Ο αέρας, όπως όλα τα αέρια, δεν έχει
συγκεκριμένο όγκο και σχήμα, καταλαμβάνει τον χώρο που είναι διαθέσιμος, έχει
συνεπώς τον όγκο και το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκεται.
Ο αέρας στην
ατμόσφαιρα δεν είναι ποτέ τελείως ξηρός. Περιέχει πάντοτε σε κάποιο ποσοστό
υδρατμούς (νερό δηλαδή σε αέρια κατάσταση), ανάλογα με τον τόπο, την ώρα και
την εποχή. Η περιεκτικότητα του αέρα σε υδρατμούς μεταβάλλεται, ανάλογα με τις
συνθήκες που επικρατούν, ιδιαίτερα ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση, και
μπορεί να φτάνει μέχρι 7 % κατ' όγκο. Όταν η θερμοκρασία πέφτει, η
περιεκτικότητα σε υδρατμούς μειώνεται, γι' αυτό και στις κρύες επιφάνειες οι
υδρατμοί υγροποιούνται, οπότε τους βλέπουμε. Ο αέρας, όπως όλα τα υλικά σώματα,
έχει μάζα. Η μάζα του αέρα που περιέχεται σε ένα κυβικό μέτρο (κύβος 1m x 1m x
1m) είναι περίπου 1,3 kg.
Ατμοσφαιρική πίεση
Θα έχετε
παρατηρήσει την ποτίστρα των πουλιών (Εικόνα
2-4). Η ποτίστρα
περιέχει νερό, αλλά είναι ανοιχτή στο κάτω μέρος της. Γιατί όμως δεν χύνεται το νερό;
Ο αέρας της
ατμόσφαιρας πιέζει το νερό στην ελεύθερη επιφάνεια του νερού στο ανοικτό μέρος
της ποτίστρας και έτσι δεν το αφήνει να χυθεί έξω από την ποτίστρα. Η πίεση
αυτή, την οποία ασκεί ο ατμοσφαιρικός αέρας σε κάθε επιφάνεια που βρίσκεται
μέσα σε αυτόν, ονομάζεται ατμοσφαιρική
πίεση. Η ατμοσφαιρική πίεση
είναι ίδια προς όλες τις κατευθύνεις.
Η ατμοσφαιρική πίεση οφείλεται στις δυνάμεις που ασκεί στα σώματα ο
αέρας λόγω του βάρους του. Σε μεγαλύτερο υψόμετρο το «πάχος» των υπερκείμενων στρωμάτων
αέρα είναι μικρότερο απ' ό,τι στην επιφάνεια της Γης. Έτσι, η ατμοσφαιρική
πίεση είναι μικρότερη, γιατί είναι λιγότερη η ποσότητα του αέρα που βρίσκεται
πάνω από εμάς και μας πιέζει. Στη Σελήνη, που δεν υπάρχει αέρας, δεν υπάρχει
ατμοσφαιρική πίεση.
Όσο ανεβαίνουμε ψηλότερα
από την επιφάνεια της θάλασσας, η ατμόσφαιρα γίνεται αραιότερη, δηλαδή η πυκνότητα
του αέρα γίνεται μικρότερη. Για παράδειγμα, σε ύψος 5 χιλιομέτρων από την
επιφάνεια της Γης η ατμοσφαιρική πίεση έχει μειωθεί περίπου στο μισό. Γι' αυτό
τον λόγο οι ορειβάτες που ανεβαίνουν σε μεγάλα ύψη παίρνουν μαζί τους φιάλες με
αέρα. Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της Γης, στο επίπεδο της θάλασσας
ονομάζεται πίεση μιας ατμόσφαιρας (1atm).
Η
πίεση που δέχονται τα σώματα, είναι τεράστια λόγω της μεγάλης ποσότητας των
υπερκείμενων στρωμάτων αέρα, λόγω δηλαδή του μεγάλου πάχους της ατμόσφαιρας. Το
1654, ο Οττο φον Γκέρικε πραγματοποίησε ένα πείραμα, ώστε να αποδείξει πόσο
μεγάλη είναι αυτή η πίεση. Το πείραμα αυτό είναι γνωστό ως «τα ημισφαίρια του Μαγδεμβούργου». Ο
Οττο φον Γκέρικε, αφαίρεσε με αεραντλία όσο αέρα μπορούσε από το εσωτερικό μιας
σφαίρας, που αποτελείτο από δύο ημισφαίρια. Για να έχουν καλή επαφή τα δύο
ημισφαίρια ο φον Γκέρικε τοποθέτησε δερμάτινο δακτύλιο με λίπος σε αυτά. Μετά τα
δύο ημισφαίρια τα τράβηξαν 16 άλογα, 8 άλογα για κάθε ημισφαίριο, όπως φαίνεται
στην Εικόνα 2-6 και δεν κατάφεραν να τα ανοίξουν.
Εικόνα 2- 6: Το πείραμα των ημισφαιρίων του Μαγδεμβούργου
Γιατί τόσα πολλά άλογα
δεν κατάφεραν να ανοίξουν τα ημισφαίρια;
Αφού
στο εσωτερικό είχε πολύ λίγο αέρα, η πίεση ήταν αρκετά μικρή, άρα για να μη
ξεκολλούν τα δύο ημισφαίρια από το τράβηγμα των αλόγων, σημαίνει ότι η πίεση
που ασκεί ο ατμοσφαιρικός αέρας είναι πολύ μεγάλη. Όπως αποδείχτηκε με το
πείραμα των ημισφαιρίων του Μαγδεμβούργου, η πίεση που δεχόμαστε από τον ατμοσφαιρικό αέρα
είναι πάρα πολύ μεγάλη.
Αναρωτηθήκατε γιατί δεν συνθλίβει το
ανθρώπινο σώμα αυτή η πίεση;
Το σώμα μας είναι
φτιαγμένο ώστε να έχει την ίδια πίεση στο εσωτερικό του. Έτσι, αντισταθμίζεται
και εξουδετερώνεται η επίδραση της ατμοσφαιρικής πίεσης που ασκείται εξωτερικά.
Η ατμοσφαιρική πίεση μετρήθηκε για πρώτη φορά από τον Ιταλό Φυσικό Τοριτσέλι (Evangelista Torricelli), που ήταν ένας
από τους βοηθούς του Γαλιλαίου, το 1643, ο οποίος για τον σκοπό αυτό
πραγματοποίησε ένα πείραμα.
Το πείραμα του Torricelli (Τοριτσέλι)
O Τοριτσέλι γέμισε λεπτό γυάλινο σωλήνα,
κλειστό στο ένα άκρο, μήκους περίπου 1m, πλήρως με υδράργυρο. Τον σωλήνα αυτό
τον αναποδογύρισε μέσα σε μια μικρή
λεκάνη, που κι αυτή
περιείχε υδράργυρο. O Τοριτσέλι παρατήρησε ότι η στήλη υδραργύρου κατέβηκε και σταθεροποιήθηκε
σε κάποιο ύψος από την ελεύθερη επιφάνεια του μέσα στη λεκάνη. Πάνω από τη
στήλη του υδραργύρου, μέσα στον σωλήνα υπήρχε κενό, δηλαδή δεν υπήρχε αέρας,
επομένως η πίεση ήταν μηδέν. Αν η πίεση στην επιφάνεια του υδραργύρου της
λεκάνης ήταν μηδέν, θα έπρεπε η ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου, τόσο στη
λεκάνη όσο και στον σωλήνα να βρίσκονταν στο ίδιο ύψος. Η στήλη του υδραργύρου
συγκρατήθηκε από την πίεση που εξασκείτο στην ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου
μέσα στη λεκάνη. Αν το πείραμα γίνει στο επίπεδο της θάλασσας, το ύψος της
στήλης του υδραργύρου είναι 76 cm (760 mm). Αυτή την ατμοσφαιρική πίεση την
ονομάζουμε κανονική
ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή γράφεται 76 cm Hg και διαβάζεται «76
εκατοστόμετρα στήλης υδραργύρου» (Hg είναι το σύμβολο του υδραργύρου). Αυτή η
τιμή της κανονικής ατμοσφαιρικής πίεσης ονομάζεται και 1 ατμόσφαιρα (1 atm). Αν
υπάρχει αύξηση στην ατμοσφαιρική πίεση, η πίεση αναγκάζει τον υδράργυρο να ανέβει
μέσα στον γυάλινο σωλήνα και παρουσιάζεται μια υψηλότερη μέτρηση. Αν η
ατμοσφαιρική πίεση ελαττωθεί, το ύψος του υδραργύρου μέσα στον σωλήνα χαμηλώνει
και παρουσιάζεται μια χαμηλότερη μέτρηση. Αυτός ο τύπος οργάνου μπορεί να
χρησιμοποιηθεί σε ένα εργαστήριο ή σε ένα μετεωρολογικό σταθμό, αλλά δεν είναι
εύκολο να μετακινηθεί.
Οι μετρήσεις της
πίεσης με αυτή τη μέθοδο, γίνονται συνήθως σε εκατοστόμετρα ή χιλιοστόμετρα του
υδραργύρου (Hg). Αν το πείραμα του Τοριτσέλι γινόταν με νερό αντί με υδράργυρο,
η πίεση που οφείλεται στον ατμοσφαιρικό αέρα θα συγκρατούσε στήλη νερού ίση
περίπου με 10 m.
Όργανα μέτρησης της ατμοσφαιρικής πίεσης
Τα όργανα με τα
οποία μετράμε την ατμοσφαιρική πίεση ονομάζονται βαρόμετρα. Υπάρχουν δυο είδη
βαρόμετρων, τα υδραργυρικά και τα μεταλλικά.
Τα υδραργυρικά βαρόμετρα αποτελούνται από
ένα σωλήνα Torricelli, ο οποίος καταλήγει σε ένα ευρύ και ανοικτό δοχείο.
Υπάρχει, επίσης, μια κλίμακα με τη βοήθεια της οποίας μετράται η διαφορά στη
στάθμη του υδραργύρου στον σωλήνα και συνεπώς και η ατμοσφαιρική πίεση. Αν
υπάρχει αύξηση στην πίεση, αναγκάζει τον υδράργυρο να ανέλθει μέσα στον γυάλινο
σωλήνα και παρουσιάζεται μια υψηλότερη μέτρηση. Αν η ατμοσφαιρική πίεση
ελαττώνεται, το ύψος του υδραργύρου μέσα στον σωλήνα χαμηλώνει και παρουσιάζεται
μια χαμηλότερη μέτρηση. Συνήθως, επειδή οι διακυμάνσεις της ατμοσφαιρικής
πίεσης σε έναν τόπο δεν είναι πολύ μεγάλες, αρκεί η χρήση μέρους της κλίμακας
(περιοχή γύρω στα 76 cm).
Τα μεταλλικά βαρόμετρα (Εικόνα 2-11)
αποτελούνται από ένα κυλινδρικό δοχείο στο οποίο δεν υπάρχει αέρας. Το επάνω
τοίχωμα του δοχείου είναι ένα έλασμα με πτυχώσεις για να είναι πιο εύκαμπτο.
Όταν η πίεση μεταβάλλεται, το έλασμα παραμορφώνεται και με ένα σύστημα μοχλών,
μετακινείται ένας δείκτης, ο οποίος καταλήγει σε μια κλίμακα μέτρησης της
ατμοσφαιρικής πίεσης (Εικόνα 2-10). Στη σύγχρονη εποχή που ζούμε, πολλά
μετεωρολογικά όργανα έχουν αντικατασταθεί από ψηφιακά όργανα που καταγράφουν την
ατμοσφαιρική πίεση, όπως και άλλα μετεωρολογικά μεγέθη σε μια οθόνη (Εικόνα
2-12).
Υπάρχουν
πολλές διαφορετικές μονάδες μέτρησης για την πίεση. Στο διεθνές σύστημα μονάδων
είναι το Pascal (Pa). To Pascal είναι μια αρκετά μικρή μονάδα μέτρησης. Η
ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια της θάλασσας είναι 101,325 Pascal και γι’
αυτό τον λόγο θα δείτε ως μονάδα μέτρησης το χιλιοπασκάλ (kPa) αντί του Pascal.
Μερικές άλλες μονάδες μέτρησης για την πίεση είναι το bar (b)και το millibar
(mb), όπως και τα χιλιοστόμετρα του υδραργύρου (mm Hg) που ονομάζεται επίσης «torr», και «ατμόσφαιρα». Η ατμοσφαιρική πίεση δεν είναι παντού η
ίδια. Όταν παρακολουθείτε την πρόγνωση του καιρού στην τηλεόραση, ή σε
εφημερίδα ή στο διαδίκτυο, μπορεί να ακούσετε ότι σύστημα χαμηλής πίεσης ή βαρομετρικό χαμηλό προσεγγίζει
την Κύπρο ή ότι σύστημα υψηλής πίεσης ή βαρομετρικό υψηλό προσεγγίζει
την Κύπρο. Αν ένα σύστημα χαμηλής πίεσης ή ένα σύστημα υψηλής πίεσης περνά πάνω
από το σπίτι σας, θα αλλάξει την ατμοσφαιρική πίεση. Στο Διάγραμμα 2-1
διακρίνονται σε μετεωρολογικό χάρτη ένα βαρομετρικό Χαμηλό (Χ) και ένα
βαρομετρικό Υψηλό (Υ). Οι άνεμοι φυσούν συνήθως από την περιοχή υψηλής πίεσης
προς την περιοχή που επικρατεί χαμηλή πίεση.
Διάγραμμα
Βαρομετρικά χαμηλά (Χ)
Μπορεί
να έχετε δει στο μετεωρολογικό δελτίο στην τηλεόραση ή σε εφημερίδα, ή στο
διαδίκτυο, έναν μετεωρολογικό χάρτη με ένα κόκκινο Χ σε
αυτόν. Αυτά τα κόκκινα Χ σημαίνουν ότι υπάρχει σύστημα Χαμηλής πίεσης πάνω από
αυτή την περιοχή του χάρτη.
Τι σημαίνει όμως αυτό;
Δεν
υπάρχει καμία ακριβής μέτρηση που θα καθιστούσε ένα σύστημα Χαμηλό. Είναι όλα
σχετικά! Αν ένα ορισμένο σύστημα είναι σύστημα Χαμηλής πίεσης, αυτό σημαίνει ότι
η περιοχή αυτή έχει χαμηλότερη πίεση από τις γύρω περιοχές. Είναι μια περιοχή
χαμηλών ατμοσφαιρικών πιέσεων που απεικονίζεται επάνω στους χάρτες καιρού με
κλειστές, καμπύλες γραμμές ίσης πίεσης, με την πίεση να ελαττώνεται από την
περιφέρεια προς το κέντρο. Οι διαφορές στην πίεση από μια περιοχή σε άλλη στη Γη,
είναι η αιτία δημιουργίας ανέμου. Βλέπετε, ο αέρας θέλει να κινηθεί από τις
περιοχές υψηλής πίεσης προς τις περιοχές με χαμηλή πίεση, μακριά δηλαδή από
περιοχές με Υψηλή πίεση και μέσα στις περιοχές με χαμηλή πίεση. Η περιστροφή
της Γης γύρω από τον εαυτό της, προσθέτει, επίσης, περιστροφή στη μετακίνηση
του αέρα. Στο βόρειο ημισφαίριο, γύρω από ένα βαρομετρικό Χαμηλό ο αέρας
κινείται αντίθετα προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού.
Ο αέρας
κινείται μέσα σε ένα σύστημα χαμηλής πίεσης. Ο αέρας σπρώχνεται προς τα πάνω.
Καθώς ο αέρας ανέρχεται, ο υδρατμοί συμπυκνώνονται στα σύννεφα, τα οποία
μπορούν να φέρουν βροχή. Γι’ αυτό όταν βλέπουμε κόκκινο Χ σε χάρτη καιρού,
καταλαβαίνουμε ότι υπάρχει μια καλή πιθανότητα «κακού» καιρού – νεφελώδεις ουρανοί
και δυνατότητες βροχής ή χιονιού.
BINTEO
Μπορείτε να
δείτε το πείραμα του Torricelli
εδώ:
Ο
αέρας έχει μάζα. Μπορείτε να δείτε το πείραμα που διεξήχθη στο εργαστήριο
Φυσικής, στο οποίο μελετάται ότι ο αέρας έχει μάζα, εδώ:
Ο
αέρας καταλαμβάνει το χώρο που είναι διαθέσιμος και έχει πυκνότητα
μικρότερη από του νερού. Μπορείτε να δείτε το πείραμα που εκτελέσαμε στο
εργαστήριο εδώ:
ΑΣΚΗΣΕΙΣ:
1. Να συμπληρώσετε τα κενά στο ακόλουθο κείμενο:
Να γράψετε τις απαντήσεις στο τετράδιο σας.
Στη Σελήνη, που δεν υπάρχει
__________, δεν υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση.
Όσο ψηλότερα ανεβαίνουμε από την επιφάνεια της θάλασσας, το υψόμετρο
__________, η ατμόσφαιρα γίνεται __________ δηλαδή, η πυκνότητα του αέρα, γίνεται __________ .
Γι’ αυτό οι ορειβάτες, ανεβαίνοντας σε __________, υψόμετρα, παίρνουν μαζί τους φιάλες με αέρα.
Το 1654, ο Otto von Guericke, εκτέλεσε ένα πείραμα, γνωστό ως τα «
__________ του Μαγδεμβούργου». Απέδειξε ότι η πίεση που δεχόμαστε από τον ατμοσφαιρικό αέρα είναι πάρα πολύ
__________ .
2. Σταυρόλεξο
Να γράψετε τις απαντήσεις στο τετράδιο σας
