آزمایش توریچلی — به زبان ساده

«اوانگلیستا توریچلی» (Evangelista Torricelli) دانشمند ایتالیایی، در قرن ۱۷ متولد شد و از شاگردان گالیله بود. او توانست با ساخت دستگاهی فشار جو یا هوا را اندازه‌گیری کند. آزمایش توریچلی از قرن ۱۷ به عنوان یک آزمایش کاربردی برای اندازه‌گیری فشار هوا استفاده می‌شود و به راحتی در آزمایشگاه‌های ساده فیزیک در مدارس قابل انجام است. در این مطلب به مطالعه آزمایش توریچلی می‌پردازیم.

دستگاه بارومتر ساده

جزء اصلی آزمایش توریچلی ، بارومتر است. بارومتر دستگاهی برای اندازه‌گیری فشار جو است که برای اولین بار توسط توریچلی ساخته شد. ساختار این دستگاه بسیار ساده است، لوله‌های آزمایش مختلفی با قطرهای متفاوت که یک سمت آن‌ها بسته شده است، ساختار اصلی این دستگاه را تشکیل می‌دهند.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش فیزیک در فرادرس

کلیک کنید

روش کار بدین صورت است که لوله‌ها را از جیوه پر می‌کنیم و آن را در یک ظرف پر از جیوه به صورت وارونه قرار می‌دهیم. در این هنگام مشاهده می‌کنیم که مقداری از جیوه داخل لوله به ظرف سرازیر می‌شود و در بالای لوله یک فضای خالی ایجاد می‌شود. به این ترتیب سطح جیوه داخل لوله به اندازه یک بازوی دست انسان پایین می‌آید.

نکته مهم این است که در آزمایش توریچلی ، او چگونه نتایج آزمایش را تفسیر کرد؟

آزمایش توریچلی

در مطلب مربوط به قوانین گازها به بررسی روابط بین دما، حجم و فشار گازها پرداختیم و بیان کردیم که در حقیقت فشار در گازها، تعداد برخوردهای مولکول‌ها با دیواره ظرف است. هر چه تعداد این برخوردها بیشتر باشد، فشار بیشتر است. با توجه به این تعریف برای فشار گازها، به راحتی می‌توان بیان کرد که افزایش دما، افزایش تعداد مول‌های گاز و کاهش حجم ظرف باعث افزایش برخورد مولکول‌های گاز با دیواره ظرف و در نتیجه افزایش فشار می‌شود. ولی نکته در اینجا است که این فشار چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ مسلماً شما دسترسی به دوربین دقیقی که بتواند حرکت سریع هر یک از هزاران مولکول را ثبت کرده و سپس فشار را به شما اعلام کند، ندارید و طبیعتاً بررسی و اندازه‌گیری بدین صورت منطقی نیست، پس توریچلی برای اندازه‌گیری فشار جو چه کرد؟

فیلم آموزش فیزیک پایه ۳ در فرادرس

کلیک کنید

او اعلام کرد که در فضای بالای لوله که جیوه آن به داخل ظرف ریخته و خالی است، خلاء به وجود آمده است. قبل از او دانشمندانی مانند افلاطون و ارسطو وجود خلاء در طبیعت را رد کرده بودند و در یک جمله اعلام کرده بودند که «طبیعت از خلاء بیزار است» و بحث در مورد خلاء را خطرناک و بی‌اخلاقی دانسته بودند. موضوع خلاء در زمان توریچلی یک اعتقاد دینی و مذهبی بود و صحبت در مورد این موضوع و اثبات وجود خلاء در طبیعت امری غیر اخلاقی به حساب می‌آمد، به همین دلیل توریچلی به دلیل درگیر نشدن با کلیسا سال‌های بعد عمر خود را در سکوت و انزوا گذراند و سه سال بعد از اعلام عمومی نتایج آزمایش خود درگذشت. او اولین کسی بود که توانست یک خلاء پایدار در طبیعت ایجاد کند.

ولی توریچلی نتایج دیگری نیز از این آزمایش به دست آورد (با اینکه هیچ‌گاه توسط او ثبت نشد). او متوجه شد که به دلیل تغییرفشار هوا، ارتفاع جیوه در لوله تغییر می‌کند و به این طریق فرد می‌تواند فشار جو را اندازه گیری کند. در شکل زیر نقاط (۱) و (۲) را در نظر بگیرید. می‌توان بیان کرد که فشار در این دو نقطه که در یک ارتفاع قرار دارند با یکدیگر برابر است و داریم:

$$\large P_{1}=P_{2}$$

در رابطه بالا، $$P_{1}$$ فشار هوا یا جو است و $$P_{2}$$ فشار ستون جیوه است. از مبحث مربوط به فشار مایعات می‌دانیم که فشار برابر است با:

$$\large P=\rho gh$$

در رابطه بالا، $$\rho$$ چگالی مایع، $$h$$ ارتفاع ستون مایع و $$g$$ شتاب گرانش است. بدین ترتیب با توجه به اینکه چگالی جیوه برابر با $$13.6\times 10^{3}\ (\frac{kg}{m^{3}})$$ و ارتفاع ستون جیوه در سطح دریا $$0.76\ (m)$$ است، فشار هوا به صورت زیر به دست می‌آید:

$$\large P_{1}=P_{atm}=\rho gh=13.6\times 10^{3}\ \times 9.8\times 0.76=101.2928\times 10^{3} (\frac{kg}{m.s^{2}})$$

واحد $$(\frac{kg}{m.s^{2}})$$ یا $$(\frac{N}{m^{2}})$$ را به افتخار پاسکال که مفهوم فشار را کشف و به زبان ریاضی بیان کرد، پاسکال نیز می‌نامند. همچنین $$101.2928\times 10^{3}\ Pascal$$ برابر با فشار جو یا $$1\ atm$$ در سطح دریا است. در کتاب‌های مختلف فشار هوا را به صورت‌های زیر نیز بیان می‌کنند:

$$1\ atm=760\ mmHg=760\ Torr$$

واحد $$Torr$$ نیز به افتخار توریچلی برای اندازه‌گیری فشار جو استفاده می‌شود. توریچلی متوجه شد که میزان ارتفاع ستون جیوه با تغییر ارتفاع از سطح زمین تغییر می‌کند و هر چه از سطح زمین بالاتر رویم ارتفاع ستون جیوه و در نتیجه فشار جو کاهش می‌یابد. تغییرات فشار جو بر حسب ارتفاع را می‌توانید در شکل زیر ببینید: