Понятие атмосферного давления в физике означает величину силы, с которой воздух действует на единицу площади. Изменения в атмосферном давлении могут иметь серьезные последствия для нашей погоды, климата и общего состояния атмосферы. Большинство из нас слышали о понятии «барометрическое давление», которое является показателем атмосферного давления, измеряемого в миллибарах.
Одной из причин понижения атмосферного давления при повышении температуры воздуха является увеличение объема и уменьшение веса воздушных масс. При нагревании воздуха его молекулы начинают двигаться быстрее и соответственно сталкиваться друг с другом чаще. Благодаря этому столкновению энергия передается от одной молекулы к другой, в результате чего атомы воздуха занимают больший объем. При повышении температуры, объем воздуха увеличивается, но масса остается почти неизменной.
Еще одной причиной понижения атмосферного давления при повышении температуры является увеличение количества водяных паров в атмосфере. В результате нагревания воды, она испаряется в воздух, создавая водяные пары. Водяные пары в атмосфере занимают меньший объем, чем исходная вода, поэтому их добавление делает воздух менее плотным и, следовательно, приводит к понижению атмосферного давления.
Причина 1: Увеличение объема воздуха
Когда температура воздуха повышается, его молекулы начинают двигаться быстрее и занимают большее пространство. Увеличение объема воздуха приводит к уменьшению его плотности и, соответственно, к понижению атмосферного давления.
Для наглядного представления этого явления можно рассмотреть таблицу, где сравниваются значения температуры, объема и плотности воздуха:
| Температура (°C) | Объем (м³) | Плотность (кг/м³) |
|---|---|---|
| 0 | 1 | 1.275 |
| 20 | 1 | 1.204 |
| 40 | 1 | 1.127 |
| 60 | 1 | 1.052 |
Из таблицы видно, что при увеличении температуры от 0°C до 60°C объем воздуха остается неизменным, но его плотность уменьшается. Следовательно, уменьшение плотности воздуха при повышении температуры приводит к понижению атмосферного давления.
Расширение молекул воздуха
При повышении объема воздуха и неизменном количестве вещества, плотность воздуха уменьшается. Из-за этого атмосферное давление снижается. Расширение молекул воздуха также влияет на его плотность и вязкость. Повышение температуры воздуха ведет к увеличению расстояния между молекулами и, как следствие, снижению их вероятности столкновений.
Расширение молекул воздуха при повышении температуры также связано с явлением конвекции. Под воздействием нагрева, горячий воздух начинает подниматься вверх, а холодный воздух опускается вниз. Это приводит к образованию вертикальных потоков и смешиванию воздушных масс с различной температурой. Конвекция способствует перемешиванию воздуха и формированию погодных явлений, таких как термические брызги, грозы и циркуляция воздуха в атмосфере.
Повышение скорости движения молекул
При повышении температуры воздуха, энергия молекул увеличивается, что приводит к увеличению их скорости. Увеличение скорости движения молекул приводит к более активному и случайному их движению внутри объема воздуха.
Повышение скорости движения молекул воздуха влечет за собой увеличение давления на стенки сосуда или на поверхность земли. Коллизии между молекулами и стенками сосуда или поверхностью земли приводят к передаче импульса, в результате чего образуется давление.
При увеличении скорости движения молекул, большее количество молекул сталкивается со стенками или поверхностью в единицу времени, что приводит к увеличению давления.
Таким образом, при повышении температуры воздуха и увеличении скорости движения молекул, происходит увеличение давления и понижение атмосферного давления.
Причина 2: Снижение плотности воздуха
При нагревании воздуха его молекулы начинают двигаться быстрее и между ними возникают большие расстояния. Это приводит к рассредоточению молекул воздуха и уменьшению их количества в единице объема. В результате плотность воздуха снижается.
Снижение плотности воздуха влечет за собой уменьшение числа молекул, сталкивающихся со стенками сосуда, то есть уменьшение сил, действующих на единицу площади стенок. Это и обусловливает понижение атмосферного давления.
Изменение плотности воздуха также влияет на его способность удерживать водную пар и другие газы. При возрастании температуры плотность воздуха уменьшается, а его способность удерживать влагу снижается. В результате воздух становится менее насыщенным водными паром и другими газами, что также оказывает влияние на атмосферное давление.
Уменьшение количества молекул в единице объема
Однако при повышении температуры воздуха происходит также расширение вещества, в том числе и воздуха. Увеличение расстояния между молекулами в результате этого приводит к уменьшению их концентрации в единице объема. То есть, при повышении температуры, количество молекул в единице объема воздуха становится меньше, что влечет за собой понижение атмосферного давления.
Уменьшение концентрации газовых примесей
Воздух состоит преимущественно из азота (около 78%) и кислорода (около 21%), а также содержит небольшое количество других газов, таких как аргон, углекислый газ и др. В результате повышения температуры воздуха, молекулы газов начинают обладать большей энергией и более активно двигаться, что повлекает за собой увеличение давления.
Однако при повышении температуры газы также изменяют свои физические свойства. В частности, увеличивается среднее расстояние между молекулами, что приводит к уменьшению их концентрации. Молекулы газов рассредотачиваются в пространстве, и на единицу объема приходится меньше молекул. В результате этого уменьшается суммарное количество газовых молекул, а следовательно, и атмосферное давление.
Таким образом, уменьшение концентрации газовых примесей в атмосфере при повышении температуры воздуха способствует понижению атмосферного давления. Этот механизм имеет важное значение при изучении климатических процессов и атмосферных явлений.