Açık hava basıncı ve Toriçelli deneyi nedir?

Açık hava basıncı ya da atmosfer basıncı, Dünya’nın atmosferindeki gazların ağırlıklarından dolayı uyguladığı basınçtır. Dünya’nın atmosferinin kalınlığı 1000 km civarındadır. Yani deniz seviyesinde bir nokta bir atmosfer denizinin 1000 km derininde gibidir.

Aşağıdaki resimde dünya ve atmosferi gösteriliyor. Atmosferdeki gazların ağırlığı açık hava basıncına neden oluyor.

Aşağıdaki resimde dikdörtgenler prizması şeklinde bir sütunun içindeki havanın ağırlığının sütunun tabanına basınç uyguladığı gösteriliyor.

Bir noktanın üstünde ne kadar çok gaz varsa basınç o kadar yüksektir. Bu yüzden açık hava basıncı deniz seviyesine yakın yüksekliklerde büyüktür, daha yükseklere çıkıldıkça azalır. Çünkü yüksek yerlerin üzerindeki atmosferin kalınlığı daha azdır, dolayısıyla yüksek yerlerin üstünde alçak yerlere göre daha az gaz bulunur. Örneğin, deniz seviyesindeki açık hava basıncı 1 atm (101,3 kPa) iken, yaklaşık 8000 metre yükseklikteki Everest dağının zirvesinde 0,3 atm’dir.

Aşağıdaki resimde Basınç Altında PHET Simülasyonunda sadece atmosfer varken yükseklikle açık hava basıncının nasıl azaldığı gösteriliyor. Havuzun dibinden yukarı çıkıldıkça atmosfer basıncı azalıyor.

Toriçelli deneyi

Evangelista Torricelli 1644 yılında çok önemli bir deney yaptı. Deniz seviyesinde 0°C sıcaklıkta, yaklaşık 1 metre uzunluğundaki bir ucu açık diğeri kapalı bir cam tüpün içini tamamen cıvayla doldurdu. Sonra cam tüpün açık olan ucunu parmağıyla kapatarak cıva dolu bir kabın içine yerleştirdi. Ardından parmağını açık uçtan çekti. Cam tüpün içindeki cıvanın bir miktarı kaba boşaldı, ama yüksekliği 760 mm olacak kadar bir kısmı tüpün içinde kaldı.

Cıvanın neden tamamı boşalmadı? Çünkü kaptaki cıvaya uygulanan açık hava basıncı cam tüpün içindeki cıvayı yukarı doğru itti. Tüpün içindeki cıvanın sıvı basıncı açık hava basıncına eşit hale geldi. Bu dengelenme ilkesini kullanarak barometreler yapıp açık hava basıncını ölçebiliyoruz.

P_atmosfer = P_cıva

P_cıva = hd_cıvag

P_cıva = 0,76 m x 13534 kg/m³ x 9,81 m/s²

P_cıva = 101,3 kPa

P_atmosfer = 101,3 kPa = 1 atm

Açık hava basıncının birimi kPa, atm ya da mmHg cinsinden verilebilir.

Cam tüpün üst kısmında cıvanın boşalttığı hacim, boşluktur. İçinde gaz ya da başka bir şey yoktur. Toriçelli deneyiyle boşluk oluşturulabilir.

Toricelli deneyinde cıva yerine su kullanılırsa ne olur?

Toriçelli deneyi mutlaka cıva ile yapılmak zorunda değildir, herhangi bir sıvıyla da yapılabilir. Eğer sıvı olarak su kullanacak olunursa, deniz seviyesinde yapılan deneyde suyun yüksekliği 10 metreyi aşar.

P_atmosfer = P_su

101,3 kPa = hd_sug

101,3 kPa = h x 1000 kg/m³ x 9,81 m/s²

101300 N/m² = h x 9810 N/m³

h = 101300/9810 = 10,3 m

Şu videoda Hollandalı öğrencilerin Toriçelli deneyiyle suyun okullarının 3. katına kadar nasıl yükselttiklerini görebilirsiniz.

Bu videoda da, bu prensiple suyu 10 metre civarı bir yükseliğe taşıyabilecek bir su pompası yapılabildiği gösteriliyor.

Bu videolardaki deneylerden varabileceğimiz bir sonuç da deniz seviyesinde yeraltı sularını yüzeydeki bir tulumbayla en fazla 10 m civarı derinlikten çekebileceğimizdir. Çünkü yüzeydeki atmosfer basıncı ancak 10 m yükseliğindeki su basıncına eşit olabilir. Su daha derinde olduğunda suyun basıncı atmosfer basıncından daha fazla olacağı için tulumbanın uyguladığı basınç kuvveti suyu yukarı çekmeye yetmez.

Toriçelli deneyinin kılcallıktan farkı nedir?

Toriçelli deneyinde sıvının tüpün içinde yükselmesinin nedeni açık hava basıncıdır. Kılcallıkta ise sıvının molekülleri arasındaki kohezyon ve sıvı ile tüpün molekülleri arasındaki adezyon kuvvetidir.

Toriçelli deneyinde kullanılan cam tüpün üst kısmının kapalı olması gerekir. Aksi taktirde tüpün açık olan üst ağzından uygulanan açık hava basıncından dolayı sıvı tüpün içinde yükselmez. Kılcalıkta ise tüpün ağzının açık olması bir şeyi değiştirmez, sıvı kılcal tüpün içinde yükselir ya da alçalır.

Toriçelli deneyinde kullanılan tüpün kalınlığı ya da kesit alanı önemli değildir, ince bir tüpte de kalın bir tüpte de sıvı aynı miktarda yükselir. Oysa kılcallıkta tüpün kalınlığı çok önemlidir, tüp inceldikçe sıvı daha çok yükselir ya da alçalır.

Toriçelli deneyinde sıvı ile tüpün yapıldığı malzemenin türü arasında bir ilişki yoktur. Oysa kılcallıkta sıvı ile tüpün malzemesi arasında adezyon kuvvetini etkileyen önemli bir ilişki vardır. Örneğin, cam bir tüpün içine yerleştirilmiş cıva Toriçelli deneyinde yükselirken, kılcallıkta alçalır.

Toriçelli deneyinde kullanılan sıvının özkütlesi önemlidir, sıvının yüksekliği özkütle arttıkça azalır. Kılcallıkta özkütle önemli değildir.

Magdeburg Küreleri

Açık hava basıncının ne kadar kuvvetli olabileceğini gösteren çok ilginç bir deney var. Eğer bir cismin içinde de dışında da hava varsa, cismin içindeki ve dışındaki basınçlar eşit olur. Ama eğer cismin içindeki havayı boşaltırsanız (boşluk oluşturursanız tıpkı Toriçelli deneyindeki gibi), içeride basınç kalmaz, ama dışarıdaki açık hava basıncı var olmaya devam eder. Dışarıdaki açık hava basıncının cisme uyguladığı basınç kuvveti basınç ile cismin yüzey alanının çarpımına eşittir.

Bu etkiyi gösteren ilk deney Otto von Guericke (1602-1686) tarafından 1657 yılında Almanya’nın Magdeburg kentinde yapılmış. von Guericke yarıçapları 0,1 m olan bakırdan yapılmış iki yarım küreyi birbirine tutturmuş ve içlerindeki havayı bir vakum pompasıyla boşaltmış. Sonra, yukarıdaki resimde gösterildiği gibi, bu kürelerin sağ ucunu bir halatla sekiz ata, sol ucunu da sekiz ata bağlamış. Atların küreleri ayırabilmesini beklersiniz, ama ayıramamışlar. On altı atın kuvveti içindeki hava boşaltılmış olan bu küreye uygulanan hava basıncı kuvvetini aşmaya yetmemiş.

Aşağıda Bursa Bilim ve Teknoloji Merkezi’nin hazırladığı bir videoda Magdeburg küreleri deneyi gösteriliyor.

Açık Hava Basıncı ile ilgili Fizik Kazanımları

10.2.1.1. Basınç ve basınç kuvveti kavramlarının katı, durgun sıvı ve gazlarda bağlı olduğu değişkenleri açıklar.

• Öğrencilerin, günlük hayattan basıncın hayatımıza etkilerine örnekler vermeleri sağlanır. Basıncın hâl değişimine etkileri vurgulanır.
• Katı ve durgun sıvı basıncı ve basınç kuvveti ile ilgili matematiksel hesaplamalar yapılmaz.
• Torricelli deneyi açıklanır ve kılcallık ile farkı belirtilir.
• Basınç etkisiyle çalışan ölçüm aletlerinden barometre, altimetre, manometre ve batimetre hakkında bilgi verilir.
• Gaz basıncında ve Pascal Prensibi’nde matematiksel hesaplamalara girilmez.

Kaynaklar

• Bilim Tarihinde Toricelli
• Atmosferin kalınlığı
• Magdedurg Deneyi