يعرف الكثير من الناس أنه مع زيادة الارتفاع ، ينخفض ضغط الهواء. ضع في اعتبارك السؤال عن سبب انخفاض ضغط الهواء مع الارتفاع ، وأعطِ صيغة لاعتماد الضغط على الارتفاع ، وفكر أيضًا في مثال لحل المشكلة باستخدام الصيغة الناتجة.
ما هو الهواء؟
الهواء هو مزيج عديم اللون من الغازات التي تشكل الغلاف الجوي لكوكبنا. يحتوي على العديد من الغازات المختلفة أهمها النيتروجين (78٪) والأكسجين (21٪) والأرجون (0.9٪) وثاني أكسيد الكربون (0.03٪) وغيرها.
من وجهة نظر الفيزياء ، يخضع سلوك الهواء في ظل الظروف الحالية على الأرض لقوانين الغاز المثالي - وهو نموذج لا تتفاعل بموجبه جزيئات وذرات الغاز مع بعضها البعض ، المسافات بينهما ضخمة مقارنة بأحجامها ، وسرعة الحركة في درجة حرارة الغرفة حوالي 1000 م / ث.
ضغط الهواء
بالنظر إلى مسألة اعتماد الضغط على الارتفاع ، يجب معرفة ما يمثلهو مفهوم "الضغط" من وجهة نظر مادية. يُفهم ضغط الهواء على أنه القوة التي يضغط بها عمود الهواء على السطح. في الفيزياء ، يقاس بالباسكال (Pa). 1 Pa تعني أن قوة مقدارها 1 نيوتن (N) يتم تطبيقها عموديًا على سطح مساحته 1 م 22. وبالتالي ، فإن ضغط 1 باسكال هو ضغط صغير جدًا.
عند مستوى سطح البحر ، يبلغ ضغط الهواء 101.325 باسكال. أو التقريب 0.1 ميجا باسكال. هذه القيمة تسمى ضغط 1 جو. يوضح الشكل أعلاه أنه على منصة 1 متر2مكابس هوائية بقوة 100 كيلو نيوتن! هذه قوة عظيمة ولكن لا يشعر بها الإنسان لأن الدم الذي بداخله يولد ضغطًا مشابهًا. بالإضافة إلى ذلك ، يشير الهواء إلى المواد السائلة (تنتمي السوائل إليها أيضًا). وهذا يعني أنه يمارس نفس الضغط في كل الاتجاهات. تشير الحقيقة الأخيرة إلى أن ضغط الغلاف الجوي من جوانب مختلفة على الشخص يتم تعويضه بشكل متبادل.
اعتماد الضغط على الارتفاع
الغلاف الجوي المحيط بكوكبنا محاط بجاذبية الأرض. قوى الجاذبية مسؤولة أيضًا عن انخفاض ضغط الهواء مع زيادة الارتفاع. في الإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أن الجاذبية الأرضية لا تؤدي فقط إلى انخفاض الضغط. ويساهم أيضًا في خفض درجة الحرارة.
نظرًا لأن الهواء مائع ، فبإمكانك استخدام الصيغة الهيدروستاتيكية لاعتماد الضغط على العمق (الارتفاع) ، أي ΔP=ρgΔh ، حيث: P هي مقدار الضغط يتغيرونعند تغيير الارتفاع بمقدار Δh ، ρ - كثافة الهواء ، g - تسارع السقوط الحر.
بالنظر إلى أن الهواء غاز مثالي ، فإنه يتبع من معادلة الغاز المثالية للحالة أن ρ=Pm / (kT) ، حيث m هي كتلة جزيء واحد ، T هي درجة حرارته ، k هو ثابت بولتزمان.
بدمج الصيغتين المذكورتين أعلاه وحل المعادلة الناتجة للضغط والارتفاع ، يمكن الحصول على الصيغة التالية: Ph=P0 e-mgh / (kT)حيث Phو P0- الضغط عند الارتفاع h وعند مستوى سطح البحر على التوالي. يسمى التعبير الناتج بالصيغة البارومترية. يمكن استخدامه لحساب الضغط الجوي كدالة للارتفاع
في بعض الأحيان لأغراض عملية ، من الضروري حل المشكلة العكسية ، أي العثور على الارتفاع ، ومعرفة الضغط. من الصيغة البارومترية ، يمكنك بسهولة الحصول على اعتماد الارتفاع على مستوى الضغط: h=kTln (P0/ Ph) / (مز).
مثال على حل المشكلات
مدينة لاباز البوليفية هي "أعلى" عاصمة في العالم. ويترتب على ذلك من مصادر مختلفة أن المدينة تقع على ارتفاع 3250 مترًا إلى 3700 مترًا فوق مستوى سطح البحر. المهمة هي حساب ضغط الهواء على ارتفاع لاباز.
لحل المشكلة ، نستخدم صيغة لاعتماد الضغط على الارتفاع: Ph=P0 e-mgh / (kT)، حيث: P0=101325 Pa ، g=9.8 m / s2، k=1.3810-23J / K، T=293 K (20oC) ، ح=3475 م (المتوسط بين 3250 م و3700 م) ، م=4 ، 81710-26كجم (مع مراعاة الكتلة المولية للهواء 29 جم / مول). باستبدال الأرقام ، نحصل على: Ph=67.534 Pa.
هكذا فإن ضغط الهواء في عاصمة بوليفيا هو 67٪ من الضغط عند مستوى سطح البحر. يتسبب ضغط الهواء المنخفض في دوار وضعف عام للجسم عندما يصعد الإنسان إلى المناطق الجبلية.
