Experimento Torricelli: medições de pressão atmosférica, importância

O experimento Torricelli foi conduzida pelo físico e matemático italiano Evangelista Torricelli em 1644 e resultou na primeira medição da pressão atmosférica.

Esse experimento surgiu da necessidade de melhorar o suprimento de água nas cidades. O evangelista Torricelli (1608-1647), matemático da corte do grão-duque da Toscana, Fernando II, estudara fenômenos hidráulicos junto com Galileu.

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Figura 1. O experimento Torricelli, no qual a coluna de mercúrio sobe 760 mm devido à pressão atmosférica. Fonte: F. Zapata.

O experimento

Em 1644, Torricelli realizou a seguinte experiência:

– Introduziu mercúrio em um tubo de 1 m de comprimento, aberto em uma extremidade e fechado na outra.

– Quando o tubo estava completamente cheio, ele o inverteu e derramou em um recipiente que também continha mercúrio.

– Torricelli observou que a coluna desceu e parou cerca de 76 cm de altura.

– Ele também percebeu que no espaço livre havia sido gerado um vácuo, embora não perfeito.

Torricelli repetiu o experimento usando tubos diferentes. Ele até executou uma pequena variante: acrescentou água ao balde que, sendo mais leve, flutuava com mercúrio. Então ele levantou lentamente o tubo contendo mercúrio para a superfície da água.

Então o mercúrio desceu e a água subiu. O vácuo obtido, como dissemos, não era perfeito, porque sempre havia restos de vapor de mercúrio ou água.

A medição da pressão atmosférica

A atmosfera é uma mistura de gases em que predominam nitrogênio e oxigênio, com traços de outros gases, como argônio, dióxido de carbono, hidrogênio, metano, monóxido de carbono, vapor de água e ozônio.

A atração gravitacional exercida pela Terra é responsável por manter o todo ao redor do planeta.

Obviamente, a composição não é uniforme, nem a densidade, pois depende da temperatura. Perto da superfície, há uma boa quantidade de poeira, areia e poluentes provenientes de eventos naturais e também da atividade humana. As moléculas mais pesadas estão mais próximas do solo.

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Como existe muita variabilidade, é necessário escolher uma altitude de referência para a pressão atmosférica, que por conveniência foi considerada o nível do mar.

Não se trata de nenhum nível do mar, porque isso também apresenta flutuações. O nível ou dado é escolhido com a ajuda de um sistema de referência geodésico estabelecido de comum acordo entre os especialistas.

Quanto é a pressão atmosférica perto do solo? Torricelli encontrou seu valor ao medir a altura da coluna: 760 mm de mercúrio.

O barômetro Torricelli

No topo do tubo, a pressão é 0, pois o vácuo foi estabelecido lá. Enquanto, na superfície do banho de mercúrio de pressão P 1 é a pressão atmosférica.

Vamos escolher a origem do sistema de referência na superfície livre de mercúrio, na parte superior do tubo. A partir daí, até atingir a superfície do mercúrio no recipiente, H , a altura da coluna, é medida .

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Figura 2. O barômetro Torricelli. Fonte: Física geral para engenheiros. J. Lay. USACH

A pressão no ponto marcado com vermelho, na profundidade e 1 é:

P 1 = P ou + ρ Hg . ge 1

Onde ρ Hg é a densidade do mercúrio. Como y 1 = H e Po = 0 :

P 1 = ρ Hg . g .H

H = P 1 / ρ Hg .g

Como a densidade do mercúrio é constante e a gravidade também, verifica-se que a altura da coluna de mercúrio é proporcional a P 1 , que é a pressão atmosférica. Substituindo valores conhecidos:

H = 760 mm = 760 x 10 -3 m

g = 9,8 m / s 2

ρ Hg = 13,6 g / cc = 13,6 x 10 3 kg / m 3

P 1 = 13,6 x 10 3 kg / m 3 x 9,8 m / s 2 x 760 x 10 -3 m = 101,293 N / m 2 = 101,3 kN / m 2

A unidade de pressão no Sistema Internacional é o Pascal, abreviado Pa. Segundo o experimento de Torricelli, a pressão atmosférica é de 101,3 kPa.

Importância da pressão atmosférica para o clima

Torricelli observou que o nível de mercúrio no tubo passava por pequenas variações todos os dias, e deduziu que a pressão atmosférica deveria mudar também.

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A pressão atmosférica é responsável por boa parte do clima, porém suas variações diárias passam despercebidas. É porque eles não são tão notáveis ​​quanto tempestades ou frio, por exemplo.

No entanto, essas variações na pressão atmosférica são responsáveis ​​pelos ventos, que por sua vez influenciam as chuvas, a temperatura e a umidade relativa. Quando o solo aquece, o ar se expande e tende a subir, fazendo com que a pressão diminua.

Sempre que o barômetro indicar altas pressões, pode-se esperar um bom tempo, enquanto com baixas pressões, existe a possibilidade de tempestades. No entanto, para fazer previsões meteorológicas precisas, é necessário obter mais informações sobre outros fatores.

O torr e outras unidades de pressão

Embora pareça estranho, uma vez que a pressão é definida como força por unidade de área, na meteorologia é válido expressar a pressão atmosférica em milímetros de mercúrio, conforme estabelecido por Torricelli.

É porque o barômetro de mercúrio ainda é usado hoje com poucas variações desde aquela época, de modo que, em homenagem a Torricelli, 760 mm de Hg são iguais a 1 torr. Em outras palavras:

1 torr = 760 mm Hg = 30 polegadas de Hg = 1 atmosfera de pressão = 101,3 kPa

Se Torricelli tivesse usado água em vez de mercúrio, a altura da coluna seria 10,3 m. O barômetro de mercúrio é mais prático, pois é mais compacto.

Outras unidades de uso estendido são barras e milibares. Um milibar equivale a um hectopascal ou 10 2 pascal.

Altímetros

Um altímetro é um instrumento que indica a altura de um local, comparando a pressão atmosférica nessa altura com a pressão no solo ou em outro local de referência.

Se a altura não for muito grande, em princípio podemos assumir que a densidade do ar permanece constante. Mas isso é uma aproximação, porque sabemos que a densidade da atmosfera diminui com a altura.

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Usando a equação usada acima, a densidade do ar é usada em vez do mercúrio:

P 1 = P ou + ρ ar . gH

Nesta expressão, P o é considerado como a pressão atmosférica ao nível do solo e P 1 é o do local cuja altitude deve ser determinada:

H = (P 1 – P o ) / ρ ar . g

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A equação altimétrica mostra que a pressão diminui exponencialmente com a altura: para H = 0, P 1 = P ou se H → ∞ , então P 1 = 0.

Referências

  1. Figueroa, D. 2005. Série: Física para Ciências e Engenharia. Volume 5. Fluidos e Termodinâmica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
  2. Kirkpatrick, L. 2007. Física: Um olhar sobre o mundo. 6 ta Abridged Edition. Cengage Learning
  3. Lay, J. 2004. Física geral para engenheiros. USACH
  4. Mott, R. 2006. Mecânica dos Fluidos. 4th. Edição Pearson Education.
  5. Estranhos, I. 2003. Medindo o ambiente natural. 2nd. Edição Cambridge University Press.

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