19. Атмосферное давление

Всякий газ производит давление на ограничивающие его стенки, т. е. действует на эти стенки с какой-то силой давления, направленной перпендикулярно (нормально) к стенке. Число­вую величину этой силы давления, отнесенную к единице пло­щади, и называют давлением.

При возрастании температуры и при сохранении объема газа скорости молекулярных движений увеличиваются и, следовательно, давление растет.

В каждой точке атмо­сферы имеется определенная величина атмосферного давления, или давления воздуха.

Воздух в закрытом (негерметическом) помещении достаточно свободно выравнивает свое давление с наружным воздухом че­рез поры и щели в стенах, через окна и т. д. Разница между атмосферным давлением в помещении и под открытым небом (на том же уровне), как правило, совершенно незначительна. Воздух в помещении сжат в той же мере, что и воздух на том же уровне снаружи.

Атмосферное давление можно выразить, например, в граммах или килограммах веса на один квадратный санти­метр или метр. На уровне моря оно близко к одному килограмму на квадратный сантиметр. Принято выражать атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба. Это значит, что давление ат­мосферы сравнивают с эквивалентным ему давлением столба ртути

Когда говорят, например, что атмосферное давление на земной поверхности в данном месте равно 750 мм, это значит, что столб ртути высотою 750 мм давил бы на земную поверх­ность так же, как давит воздух.

Ртутный барометр. В этом приборе атмосферное давление как раз уравнове­шивается давлением столба ртути; по изменениям высоты ртут­ного столба можно судить об изменениях атмосферного давления.

Другой принцип измерения атмосферного давления, широко применяемый в анероидах, барографах, метеорографах, радио­зондах, основан на деформациях упругой, пустой внутри метал­лической коробки при изменениях внешнего давления на нее. Приборы этого типа нужно тарировать (градуировать) по пока­заниям ртутного барометра.

На уровне моря среднее атмосферное давление близко к 760 мм рт. ст.

В настоящее время в метеорологии давление выражают в абсолютных единицах — миллибарах (мб). Один миллибар есть давление, которое сила в 1000 дин производит на площадь в один квадратный сантиметр. Среднее атмосферное давление на уровне моря —760 мм рт. ст. — близко к 1013 мб, а 750 мм рт. ст. эквивалентны 1000 мб. Таким образом, для перехода от величины давления в миллиметрах ртутного столба к величине в миллибарах нужно давление в миллиметрах ртутного столба умножить на 4/3.

20. Температура воздуха

Воздух всегда имеет температуру, от­личную от абсолютного нуля. Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется; в разных местах Земли в одно и то же время она также различна.

У земной поверхно­сти температура воздуха варьирует в довольно широких преде­лах: крайние ее значения, наблюдавшиеся до сих пор, немного ниже +60° (в тропических пустынях) и около —90° (на мате­рике Антарктиды).

С высотою температура воздуха меняется в разных слоях и в разных случаях по-разному. В среднем она сначала пони­жается до высоты 10—15 км, затем растет до 50—60 км, потом снова падает и т. д.

Температура воздуха, а также почвы и воды в большин­стве стран выражается в градусах международной температур­ной шкалы, или шкалы Цельсия (°С), общепринятой в физиче­ских измерениях. Нуль этой шкалы приходится на температуру, при которой тает лед, а +100° — на температуру кипения воды (то и другое при давлении 760 мм рт. ст., близком к фактически существующим на уровне моря условиям).

В США и во многих других странах не только в быту, но и в метеорологии употребительна шкала Фаренгейта (F). В этой шкале интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180°, причем точке таяния льда приписано значение +32°. Таким образом, величина одного градуса Фарен­гейта равна 5/9°С, а нуль шкалы Фаренгейта приходится на -17,8° С. Нуль шкалы Цельсия соответствует +32° F, a +100°C = +212°F.

Кроме того, в теоретической метеорологии применяется абсолютная шкала температуры (шкала Кельвина, К). Нуль этой шкалы отвечает полному прекращению теплового движе­ния молекул, т. е. самой низкой возможной температуре. По шкале Цельсия это будет -273,18±0,03°. Но на практике за абсолютный нуль принимается в точности -273° С. Величина градуса абсолютной шкалы равна величине градуса шкалы Цельсия.

21. Уравнение состояния сухого воздуха.

Основными величинами, характеризующими физическое состояние газа, являются его давление, температура и плотность. Эти величины взаимосвязаны.

Идеальным газом называется газ, между молекулами которого отсутствуют силы взаимного притяжения. Разреженные газы при не слишком низких температурах и достаточно малых давлениях близки к идеальным газам. При температурах и давлениях, встречающихся в атмосфере, основные газы, составляющие воздух, ведут себя как идеальные.

Газовый состав (по объёму):

1. азот – 78%

2. кислород – 21%

3. аргон – 0,9%

4. углекислый газ – 0,03%

Имеем объём V газа с массой m. Напишем уравнение состояния идеального газа для единицы массы газа.

υ = V/ m – удельный объём, то есть объём единицы массы газа

p υ = RT, где p – давление, υ - удельный объём, R – удельная газовая постоянная, зависящая от природы газа, Т – температура по Кельвину.

ρ = m/V, V=m υ, ρ = m / m υ = 1/ υ, или υ = 1/ ρ

p/ ρ = RT, или p = ρ RT.

Рассмотрим это уравнение применительно к 1 молю сухого воздуха.

μ_d – масса 1 моля воздуха.

p υ μ_d = R_d T μ_d

υ μ_d – объём 1 моля воздуха

При нормальном давлении (1013,2 гПа) и Т=273º К согласно закону Авогадро

υ μ_d = 22,4 м³/кг моль

R₀ = R_d μ_d – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 10 ³ м2/ с² º К

p υ = R₀ T/ μ_d

Плотность атмосферы – отношение массы воздуха к его объёму. 1 м³ воздуха при 0°С и нормальном давлении имеет массу 1,293 кг. Следовательно, плотность воздуха равна 1,293 кг/м³. Половина всей массы атмосферы сконцентрирована в нижнем слое тропосферы высотой около 5,5 км. На высоте 300 км плотность атмосферы в 4*10¹⁰ меньше, чем на уровне моря.