Bài học

Sự tồn tại của áp suất khí quyển

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao khí quyển gây ra áp suất tác dụng lên mọi vật theo mọi phương, mô tả đúng thí nghiệm Tô-ri-xen-li, và tính được áp suất khí quyển ra pascal từ chiều cao cột thủy ngân.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 3, em đã học công thức áp suất chất lỏng $p = d \cdot h$ , với $d$ là trọng lượng riêng chất lỏng và $h$ là độ sâu tính từ mặt thoáng. Em cũng đã biết áp suất chất lỏng tác dụng theo mọi phương chứ không chỉ ép từ trên xuống — hai điều này là chìa khoá để hiểu bài học hôm nay, vì khí quyển cũng là một lớp "chất lỏng" đặc biệt bao quanh Trái Đất, chỉ khác là ở thể khí.

Ở Course 3, em đã học công thức áp suất chất lỏng $p = d \cdot h$, với $d$ là trọng lượng riêng chất lỏng và $h$ là độ sâu tính từ mặt thoáng. Em cũng đã biết áp suất chất lỏng tác dụng theo mọi phương chứ không chỉ ép từ trên xuống — hai điều này là chìa khoá để hiểu bài học hôm nay, vì khí quyển cũng là một lớp "chất lỏng" đặc biệt bao quanh Trái Đất, chỉ khác là ở thể khí.

Khởi động

Em úp ngược một cốc thuỷ tinh đổ đầy nước, miệng cốc đậy kín bằng một tấm bìa cứng mỏng, rồi buông tay khỏi tấm bìa. Tấm bìa không rơi, nước cũng không đổ ra ngoài. Lực gì đã giữ tấm bìa lại, trong khi chẳng có gì dán nó vào cốc?

Kiến thức trọng tâm

Con người và mọi vật quanh ta chịu áp suất khí quyển liên tục từ lúc sinh ra, và áp suất bên trong cơ thể cũng cân bằng với áp suất bên ngoài, nên bình thường ta không hề cảm nhận được nó. Áp suất khí quyển chỉ bộc lộ rõ khi xuất hiện sự chênh lệch áp suất: hộp sữa giấy bị bẹp lại khi ta hút hết không khí bên trong qua ống hút, hay thí nghiệm nổi tiếng năm 1654 của Ghê-rích với hai bán cầu kim loại rỗng — hút hết không khí bên trong rồi ghép hai bán cầu lại, ngay cả 16 con ngựa kéo hai chiều cũng không tách nổi chúng ra, vì áp suất khí quyển bên ngoài ép chặt hai bán cầu vào nhau.

Năm 1643, nhà vật lí Tô-ri-xen-li thực hiện thí nghiệm đo trực tiếp áp suất khí quyển. Ông đổ đầy thuỷ ngân vào một ống thuỷ tinh dài khoảng 1 mét, bịt kín đầu hở, rồi úp ngược ống vào một chậu chứa thuỷ ngân trước khi mở đầu bịt dưới mặt thoáng. Thuỷ ngân trong ống tụt xuống và dừng lại ở độ cao 760 mm tính từ mặt thoáng thuỷ ngân trong chậu; phần ống phía trên cột thuỷ ngân là chân không, hoàn toàn không có không khí lọt vào.

Vì sao cột thuỷ ngân dừng đúng ở 760 mm mà không tụt hết xuống chậu? Xét hai điểm cùng nằm ngang mặt thoáng thuỷ ngân trong chậu: một điểm A ở ngoài ống, chịu áp suất khí quyển $p_0$ ; một điểm B ở trong ống, chỉ chịu áp suất do cột thuỷ ngân cao 760 mm phía trên nó gây ra (phần trên B là chân không nên không góp thêm áp suất). Vì hai điểm này thông nhau qua cùng một khối thuỷ ngân đang đứng yên, áp suất tại A và B phải bằng nhau — đúng nguyên lí bình thông nhau em đã học ở Course 3. Từ đó: $p_0 = d_{Hg} \cdot h$ , với $d_{Hg} = 136\,000$ N/m³ là trọng lượng riêng thuỷ ngân và $h = 0{,}76$ m.

Khí quyển là lớp không khí dày hàng trăm ki-lô-mét bao quanh Trái Đất. Lớp không khí này có trọng lượng, nên nó nén lên mọi vật ở bề mặt Trái Đất — giống hệt cách nước trong một bể chứa nén lên vật đặt dưới đáy. Áp suất do trọng lượng khí quyển gây ra được gọi là **áp suất khí quyển**, và cũng như áp suất chất lỏng, nó tác dụng theo **mọi phương**: lên trên, xuống dưới, sang ngang, chứ không chỉ ép từ trên xuống như nhiều em vẫn hình dung. Con người và mọi vật quanh ta chịu áp suất khí quyển liên tục từ lúc sinh ra, và áp suất bên trong cơ thể cũng cân bằng với áp suất bên ngoài, nên bình thường ta không hề cảm nhận được nó. Áp suất khí quyển chỉ bộc lộ rõ khi xuất hiện sự chênh lệch áp suất: hộp sữa giấy bị bẹp lại khi ta hút hết không khí bên trong qua ống hút, hay thí nghiệm nổi tiếng năm 1654 của Ghê-rích với hai bán cầu kim loại rỗng — hút hết không khí bên trong rồi ghép hai bán cầu lại, ngay cả 16 con ngựa kéo hai chiều cũng không tách nổi chúng ra, vì áp suất khí quyển bên ngoài ép chặt hai bán cầu vào nhau. Năm 1643, nhà vật lí Tô-ri-xen-li thực hiện thí nghiệm đo trực tiếp áp suất khí quyển. Ông đổ đầy thuỷ ngân vào một ống thuỷ tinh dài khoảng 1 mét, bịt kín đầu hở, rồi úp ngược ống vào một chậu chứa thuỷ ngân trước khi mở đầu bịt dưới mặt thoáng. Thuỷ ngân trong ống tụt xuống và dừng lại ở độ cao 760 mm tính từ mặt thoáng thuỷ ngân trong chậu; phần ống phía trên cột thuỷ ngân là **chân không**, hoàn toàn không có không khí lọt vào. Vì sao cột thuỷ ngân dừng đúng ở 760 mm mà không tụt hết xuống chậu? Xét hai điểm cùng nằm ngang mặt thoáng thuỷ ngân trong chậu: một điểm A ở ngoài ống, chịu áp suất khí quyển $p_0$; một điểm B ở trong ống, chỉ chịu áp suất do cột thuỷ ngân cao 760 mm phía trên nó gây ra (phần trên B là chân không nên không góp thêm áp suất). Vì hai điểm này thông nhau qua cùng một khối thuỷ ngân đang đứng yên, áp suất tại A và B phải bằng nhau — đúng nguyên lí bình thông nhau em đã học ở Course 3. Từ đó: $p_0 = d_{Hg} \cdot h$, với $d_{Hg} = 136\,000$ N/m³ là trọng lượng riêng thuỷ ngân và $h = 0{,}76$ m.

Ví dụ

Tính áp suất khí quyển ra pascal từ kết quả thí nghiệm Tô-ri-xen-li

1
Thí nghiệm Tô-ri-xen-li ở mực nước biển cho cột thuỷ ngân cao 760 mm. Biết trọng lượng riêng của thuỷ ngân $d_{Hg} = 136\,000$ N/m³. Tính áp suất khí quyển ra đơn vị Pa.
Thí nghiệm Tô-ri-xen-li ở mực nước biển cho cột thuỷ ngân cao 760 mm. Biết trọng lượng riêng của thuỷ ngân $d_{Hg} = 136\,000$ N/m³. Tính áp suất khí quyển ra đơn vị Pa.
2
Công thức $p = d \cdot h$ chỉ đúng khi $h$ tính bằng mét, nên trước hết đổi $h = 760$ mm $= 0{,}76$ m.
Công thức $p = d \cdot h$ chỉ đúng khi $h$ tính bằng mét, nên trước hết đổi $h = 760$ mm $= 0{,}76$ m.
3
Áp dụng công thức áp suất chất lỏng $p_0 = d_{Hg} \cdot h$ : $p_0 = 136\,000 \times 0{,}76 = 103\,360$ Pa.
Áp dụng công thức áp suất chất lỏng $p_0 = d_{Hg} \cdot h$: $p_0 = 136\,000 \times 0{,}76 = 103\,360$ Pa.
4
Đơn vị: N/m³ $\times$ m $=$ N/m² $=$ Pa, khớp đúng đơn vị áp suất. Vậy áp suất khí quyển ở mực nước biển xấp xỉ $p_0 \approx 103\,360$ Pa (thường gọi tắt là 760 mmHg).
Đơn vị: N/m³ $\times$ m $=$ N/m² $=$ Pa, khớp đúng đơn vị áp suất. Vậy áp suất khí quyển ở mực nước biển xấp xỉ $p_0 \approx 103\,360$ Pa (thường gọi tắt là 760 mmHg).

Ví dụ

Giải thích và tính áp suất khí quyển trên một đỉnh núi

1
Một nhà khoa học mang dụng cụ Tô-ri-xen-li lên một đỉnh núi cao và đo được cột thuỷ ngân chỉ còn 620 mm, thấp hơn kết quả đo ở mực nước biển. a) Giải thích vì sao cột thuỷ ngân trên núi lại thấp hơn. b) Tính áp suất khí quyển tại đỉnh núi đó ra Pa.
2
Càng lên cao, lớp không khí còn lại phía trên vị trí đo càng mỏng dần, nên trọng lượng cột không khí đè lên mỗi đơn vị diện tích càng nhỏ — áp suất khí quyển vì thế giảm dần theo độ cao. Cột thuỷ ngân trong ống chỉ dâng lên đủ để cân bằng với áp suất khí quyển tại chỗ đo, nên trên núi cột thuỷ ngân ngắn hơn hẳn so với ở mực nước biển.
3
Đổi $h = 620$ mm $= 0{,}62$ m. Áp dụng $p = d_{Hg} \cdot h$ : $p = 136\,000 \times 0{,}62 = 84\,320$ Pa.
Đổi $h = 620$ mm $= 0{,}62$ m. Áp dụng $p = d_{Hg} \cdot h$: $p = 136\,000 \times 0{,}62 = 84\,320$ Pa.
4
Vậy áp suất khí quyển tại đỉnh núi đó xấp xỉ $84\,320$ Pa, thấp hơn khá nhiều so với $103\,360$ Pa ở mực nước biển — đúng như dự đoán, càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm.
Vậy áp suất khí quyển tại đỉnh núi đó xấp xỉ $84\,320$ Pa, thấp hơn khá nhiều so với $103\,360$ Pa ở mực nước biển — đúng như dự đoán, càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm.

Ví dụ

Giải thích thí nghiệm cốc nước úp ngược

1
Một cốc thuỷ tinh đổ đầy nước, đậy kín miệng bằng một tấm bìa cứng mỏng rồi úp ngược. Khi buông tay khỏi tấm bìa, nước không đổ ra ngoài. Giải thích hiện tượng.
2
Tấm bìa chịu hai lực theo phương thẳng đứng, ngược chiều nhau: từ phía trên, trọng lượng cột nước trong cốc ép tấm bìa xuống dưới; từ phía dưới, áp suất khí quyển tác dụng lên toàn bộ diện tích tấm bìa, đẩy nó lên trên.
3
Áp suất khí quyển tương đương cột thuỷ ngân cao 760 mm, lớn hơn rất nhiều so với áp suất do cột nước chỉ cao vài chục xăng-ti-mét trong cốc gây ra. Vì miệng cốc đã được đậy kín, không còn khoảng trống cho không khí len vào phía trong, nên không có áp suất khí quyển nào ép ngược lại từ phía trên.
4
Lực đẩy lên do áp suất khí quyển tác dụng vào bìa từ bên dưới lớn hơn hẳn trọng lượng của nước và bìa cộng lại, nên tấm bìa được giữ nguyên tại chỗ. Vậy nước không đổ ra ngoài chính là nhờ áp suất khí quyển, chứ không phải một lực dán nào khác.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ áp suất khí quyển chỉ ép từ trên xuống, như một "sức nặng đè xuống". Thực ra khí quyển là chất khí bao quanh mọi vật, nên áp suất của nó tác dụng theo MỌI phương — đúng như bản chất áp suất chất lỏng đã học. Chính vì tác dụng theo mọi phương nên áp suất khí quyển mới đẩy được tấm bìa từ dưới lên trong thí nghiệm cốc nước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Khí quyển có trọng lượng nên gây áp suất tác dụng theo mọi phương lên mọi vật ở bề mặt Trái Đất. Thí nghiệm Tô-ri-xen-li đo được áp suất này qua chiều cao cột thuỷ ngân: 760 mm ở mực nước biển, tương đương khoảng 103 360 Pa. Càng lên cao, áp suất khí quyển càng giảm.

Bài tiếp theo luyện thêm cách đổi đơn vị và tính toán với áp suất khí quyển ở nhiều địa điểm, độ cao khác nhau — công cụ cần thiết để hiểu vì sao các thiết bị dùng áp suất khí quyển trong đời sống hoạt động được.