Атмосферное давление. 
Производственная санитария

Газы всегда полностью занимают объем, ограниченный непроницаемыми для газа стенками.

Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любые другие тела, с которыми он соприкасается.

Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на определенную площадь, к величине этой площади:

р = F/S. (2.11).

Самый важный для нас газ — воздух. Земля окружена атмосферой — слоем воздуха, представляющего собой смесь целого ряда газов. Мы не будем учитывать, что воздух имеет сложный состав: в интересующих нас механических явлениях это не играет роли.

Атмосфера (атмос — пар, воздух) удерживается вблизи земной поверхности силой притяжения Земли. Масса атмосферы примерно 5· 10¹⁸ кг. Плотность воздуха при температуре 0 ⁰С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,293 кг/м³.

Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее на уровне моря) примерно равно 10⁵ Па. Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности земли воздух давит с силой 10⁵ Н. Поверхность Земли составляет примерно 5· 10¹⁴ м². Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой 5· 10¹⁹ Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли, так что атмосфера простирается на сотни километров и не имеет четкой границы.

Атмосферное давление было измерено в опытах Торричелли и составляет 760 мм рт. ст. = 1, 013· 10⁵ Па.

Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. Давление воздуха над уровнем моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше. При небольших подъемах в среднем на каждые двенадцать метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровнем моря сжат всем весом атмосферы Земли, а более высокие слои сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере, как и в любом другом газе, находящимся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу в верх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.

Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другая, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат откладывают высоты h, 2h, 3h, 4h и т. д., а по оси абсцисс — давление р (рис. 2.1). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h.

Рис. 2.1. Изменение атмосферного давления с высотой

Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный сgh. Но с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме давление будет убывать неравномерно: на малой высоте давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность с и тем медленнее падает давление.

Мы считали, что давление р во всем слое толщины h одно и то же, поэтому мы получили ступенчатую линию. Но убывание плотности происходит непрерывно, поэтому в действительности график имеет вид плавной линии. Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. Для небольших объемов достаточно пользоваться маленьким участком графика. В этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости.