Üstünde kilometrelerce hava var — ve o havanın ağırlığı
Bir önceki iki ünitede sıvıların basıncını gördün. Şimdi aynı mantığı havaya uygulayacağız: atmosferi oluşturan gazlar da ağırlıkları nedeniyle temas ettikleri her yüzeye basınç uygular. Bu sayfada Torricelli’nin cıvalı barometresini, 76 cmHg değerinin nereden geldiğini ve açık hava basıncının sıcaklık, yoğunluk ve atmosfer kompozisyonu ile nasıl değiştiğini göreceksin.
Sıvıların molekülleri arasındaki boşluk, gazlara göre daha azdır. Bu nedenle sıvılar daha büyük yoğunluğa sahiptir. Bu, sıvılarda birim hacimde daha fazla molekül bulunduğu anlamına gelir. Gazlar, moleküllerinin arasındaki büyük mesafe ve zayıf çekim kuvvetleri nedeniyle daha düşük yoğunluğa sahiptir. Gazların belirli bir hacmi ve şekli yoktur, gazlar bulundukları kabı tamamen doldurur. Gazlar sıkıştırılabilirken sıvıların sıkıştırılabilirliği çok düşüktür. Bu nedenle sıvılar sıkıştırılamaz kabul edilir.
| Ölçüt | Sıvılar | Gazlar |
|---|---|---|
| Moleküller arası boşluk | Az | Büyük mesafe |
| Çekim kuvvetleri | Güçlü | Zayıf |
| Yoğunluk | Büyük | Düşük |
| Belirli hacim ve şekil | Hacmi belirli, şekli kabın | İkisi de yok; kabı tamamen doldurur |
| Sıkıştırılabilirlik | Çok düşük — sıkıştırılamaz kabul edilir | Sıkıştırılabilir |
| Basınç hesabında değişken | Derinlik (h) — aşağı indikçe artar | Yükseklik — yukarı çıkıldıkça azalır |
Sıvılarda basınç hesaplamaları derinliğe bağlı olarak yapılır ve sıvıların basıncı derinlikle doğru orantılı olarak artar. Derinliğin artmasıyla sıvının üzerindeki katmanların ağırlığı artar ve bunun sonucunda basınç yükselir. Gazlarda ise basınç hesaplamaları genellikle yüksekliğe bağlı olarak yapılır. Sıkıştırılabilir yapıları nedeniyle gazların yükseklikle birlikte yoğunlukları ve dolayısıyla basınçları değişir. Atmosferin üst kısımlarında bulunan gaz katmanlarının yoğunluğu daha az olduğundan ağırlığı da daha azdır. Bu nedenle deniz seviyesinden yukarı çıkıldıkça gazların uyguladıkları basınç azalır.
Aradaki en derin fark şu: su sıkışmadığı için her derinlikte aynı yoğunluktadır, bu yüzden basınç derinlikle düzgün artar. Hava ise sıkıştırılabilir — alttaki hava, üstündeki havanın ağırlığı altında ezilir ve yoğunlaşır. Bu yüzden atmosferin en yoğun kısmı yeryüzüne en yakın bölümdür.
Atmosfer; azot, oksijen ve diğer gazlardan oluşan bir gaz tabakasıdır. Atmosferi oluşturan gazlar, ağırlıkları nedeniyle temas ettiği yüzeylere basınç uygular. Bu basınca açık hava basıncı denir.
Açık hava basıncı P₀ sembolü ile gösterilir. Gazlar, ağırlıkları ve taneciklerinin çarpmasıyla temas ettikleri yüzeylere basınç uygular.
Kontrol noktasının ikinci cümlesi önemli bir ayrıntı ekliyor: gaz basıncının iki kaynağı var — gazın ağırlığı ve taneciklerin yüzeye çarpması. Sıvılarda yalnız ağırlıktan söz edilmişti.
Atmosferin kompozisyonu, atmosferi oluşturan gazların, parçacıkların ve diğer elementlerin türleri ile bu türlerin oranlarını ifade eder. Aşağıdaki yüz kutucuğun her biri havadaki yüz molekülden birini gösteriyor.
Havada bulunan gazlar ve bunların oranları da hava yoğunluğunu etkiler. Atmosfer kompozisyonu, havanın yoğunluğunu belirlemede önemli bir rol oynar.
Otto von Guericke tarafından yapılan Magdeburg deneyi, atmosfer basıncının kuvvetini ve etkilerini göstermek amacıyla gerçekleştirilmiştir. “Magdeburg yarım küreleri” adı verilen iki metal yarım küre birleştirilmiş ve bir vakum pompası ile kürelerin havası boşaltılmıştır. Daha sonra yarım küreler zıt yönlerde kuvvet uygulayan atlara bağlanarak birbirinden ayrılmaya çalışılmış ancak başarılı olunamamıştır. İçeride hava kalmayınca dışarıdaki atmosfer basıncı yarım küreleri bir arada tutmuştur.
Deneyin öğrettiği şey şu: açık hava basıncı, biz onu hiç hissetmesek de her an ve her yönden üzerimizdedir. Onu hissetmememizin sebebi, vücudumuzun içindeki basıncın da aynı değerde olması ve iki basıncın birbirini dengelemesidir.
Evangelista Torricelli, açık hava basıncını ölçmek için deniz seviyesinde bir deney gerçekleştirmiştir. Bu deneyde 0 °C sıcaklıkta ve 1 m yüksekliğinde cıva ile dolu olan, bir ucu kapalı bir cam boru kullanmıştır. Boruyu içine hava girmeyecek şekilde ters çevirmiş ve cıva dolu bir kaba daldırarak açık hava basıncını ölçmüştür. Borunun içindeki cıva seviyesi önce bir miktar düşmüş, daha sonra dengeye gelmiştir. Kaptaki cıvanın üst yüzeyi ile cam borudaki cıvanın üst yüzeyi arasındaki fark 76 cm olarak ölçülmüştür.
Açık havanın kaptaki cıvanın üst yüzeyine uyguladığı basınç (P₀), 76 cm yüksekliğindeki cıva sütununun uyguladığı basınca eşittir. Bu durumda 0 °C sıcaklığında ve deniz seviyesindeki açık hava basıncı 76 cmHg olarak ölçülmüştür.
Borunun tepesinde kalan boşlukta hava yoktur; boru cıva ile tam dolu çevrildiği için orası boş kalır. Bu yüzden cıva sütununu aşağıdan yukarı iten tek şey dışarıdaki açık hava basıncıdır.
Torricelli deneyinde 76 cm yüksekliğindeki cıva sütununun oluşturduğu basınç ile açık havanın cıva yüzeyinde oluşturduğu basınç birbirine eşittir (P₀ = Pcıva). Cıvanın yoğunluğu d = 13.600 kg/m³ ve yer çekimi ivmesinin büyüklüğü g = 9,8 m/s² alındığında açık hava basıncı, yaklaşık olarak
P₀ = h · d · g
= 0,76 · 13.600 · 9,8
= 101.300 Pa
bulunur. Bulunan bu değere 1 atmosfer (1 atm) denir.
Günlük hayatta farklı basınç birimleri kullanılır. Deniz seviyesinde açık hava basıncı aşağıdaki gibi ifade edilir:
1 atm = 76 cmHg = 1,013 · 10⁵ Pa
Dikkat: bu bir sıvı basıncı hesabıdır — bir önceki ünitedeki P = h · d · g bağıntısının aynısı. Torricelli’nin dehası, ölçülmesi zor olan hava basıncını, ölçülmesi kolay bir cıva yüksekliğine çevirmiş olmasıdır. Neden su değil de cıva? Su kullanılsaydı aynı basıncı dengelemek için 13,6 kat uzun bir sütun, yani 10 metreden uzun bir boru gerekirdi.
0 °C sıcaklıkta deniz seviyesinde gerçekleştirilen Torricelli deneyinde kullanılan borunun şekli, kesiti, sıvıdaki konumu ve duruşu cıva seviyesini değiştirmez. Cıva, deniz seviyesinde 76 cm düzeyine gelir.
Torricelli deneyinde tespit edilen açık hava basıncı; sıvının (cıva) yoğunluğu, yer çekimi ivmesinin büyüklüğü (g) ve sıvının dikey yüksekliği (h) ile doğru orantılıdır. Boru ve kaptaki cıva seviyelerinin farkı açık hava basıncından kaynaklanır. Cıva sütununun ağırlığı tarafından uygulanan basınç, dışarıdaki açık hava basıncına (atmosfer) eşittir.
Anahtar kelime “dikey yüksekliği”. Boruyu eğersen cıva sütunu boru boyunca uzar ama düşey yüksekliği yine 76 cm kalır. Aşağıdaki tezgâhta bunu kendin dene.
Düğmeler borunun kesitini ve şeklini, kaydırak ise eğim açısını değiştirir. Ekranda iki sayı var: cıvanın boru boyunca uzunluğu ve düşey yüksekliği. Birincisi değişir, ikincisi asla.
Açık hava basıncının ölçülmesinde ve atmosfer basıncının yükseklikle değişiminin anlaşılmasında çığır açan cıvalı barometreyi icat etmesiyle tanınır. Ayrıca bir sıvının bir delikten veya tüpten ne kadar hızlı çıktığını açıklayan Torricelli Yasası ile hidrodinamiğe önemli katkılarda bulunmuş ve ideal sıvıların davranışının anlaşılmasında kilit rol oynamıştır.
Bir önceki ünitedeki delikli şişe deneyini hatırla — deliklerden çıkan suyun süratini açıklayan yasa tam olarak Torricelli’nindir.
Açık hava basıncı; hava sıcaklığı, hava yoğunluğu ve atmosferin kompozisyonu gibi etmenlere bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Sıcaklık ve havanın yoğunluğu, açık hava basıncının yeryüzünde değişiklik gösterdiğinin anlaşılması bakımından önemli iki etmendir.
Sıcaklık, havanın genleşmesi ve büzülmesi üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Sıcaklık arttığında hava molekülleri daha hızlı hareket eder ve birbirinden uzaklaşır. Bu durum, havanın genleşmesine ve yoğunluğunun azalmasına neden olur. Yoğunluğu azalan hava daha hafif hâle gelir ve yükselir. Böylece alçak basınç bölgeleri oluşur. Sıcaklık azaldığında ise hava molekülleri yavaşlar, birbirine yaklaşır ve hava yoğunluğu artar. Yoğunlaşan soğuk hava yeryüzüne yakın bölgelerde yüksek basınç alanları oluşturur.
Hava yoğunluğu, birim hacimdeki hava kütlesinin miktarını ifade eder ve bu yoğunluk yükseklikle değişir. Dünya yüzeyine yakın bölgelerde hava yoğunluğu daha fazladır. Yoğunluk; sıcaklık, nem vb. etmenlere bağlı olarak değişir. Soğuyan hava yoğunlaşır, aşağı doğru hareket eder ve yüksek basınç alanları oluşturur. Öte yandan sıcaklık arttığında veya nem yükseldiğinde hava yoğunluğu azalır. Daha hafif hâle gelen hava yükselir ve alçak basınç alanları meydana getirir. Bu sıcaklık ve basınç değişimleri, atmosferdeki hareketleri tetikleyerek rüzgâr, yağış ve fırtına oluşumuna yol açar.
Bu paragraf iki ayrı yolu birden anlatıyor, karıştırma: yükseklikle yoğunluk azalır (atmosferin dikey yapısı), ısınmayla ya da nem artışıyla da azalır (aynı yerdeki hava kütlesinin hâli). Birincisi rakımla, ikincisi hava durumuyla ilgilidir.
Kaydırak, bir bölgedeki hava sıcaklığını değiştirir. Moleküllerin hızını, aralarındaki mesafeyi ve hava kütlesinin yükselip alçalmasını izle. Sağdaki bölge sabit tutuluyor; ikisi arasındaki fark rüzgârı doğuruyor.
Rüzgâr, atmosferdeki alçak ve yüksek basınç alanları arasındaki hava hareketidir. Alçak basınç alanları genellikle sıcak havanın genleşerek yükselmesi, yüksek basınç alanları ise soğuk havanın yoğunlaşıp alçalmasıyla oluşur. Atmosferdeki basınç sistemleri; sıcaklık farklarının yanında Dünya’nın dönüşü, jet akımları ve diğer dinamik etmenlerle de şekillenir. Hava kütleleri, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket etmeye çalışır ancak Dünya’nın kendi ekseni etrafında dönmesi, rüzgârın doğrusal hareket yapmasını engeller ve onu sapmaya uğratır. Bu sapma, rüzgârın yönünü belirleyen temel etmenlerden biridir.
Rüzgârın hızı; basınç farkının büyüklüğüne, dönme hareketinin etkisine, yüzey sürtünmesine ve coğrafi engellere bağlı olarak değişir. Okyanuslar üzerinde daha az sürtünme olduğu için rüzgârlar daha hızlı eser. Dağlar, vadiler gibi kara yüzeyindeki engeller rüzgârın hızını değiştirebilir.
Basınç farklılıklarından kaynaklanan rüzgârlar, yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahiptir. Alçak ve yüksek basınç alanları arasındaki hava hareketi rüzgâr enerjisini oluşturur. Bu enerji, rüzgâr türbinleri aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. Rüzgâr türbinlerinin pervaneleri rüzgârın etkisiyle döner ve bu hareket, türbinin içindeki jeneratörün elektrik üretmesini sağlar.
Türbinler, genellikle yüksek rüzgâr potansiyeline sahip bölgelerde konumlandırılır ve farklı rüzgâr hızlarına uyum sağlayacak şekilde ayarlanabilir pervanelere sahiptir. Bu pervaneler, rüzgârın yönü ve şiddetine göre dönebilir.
Aşağıdaki ifadelerin doğru olup olmadığını gerekçeleriyle belirtiniz.
I. Atmosferde havanın yoğunluğu homojendir.
Yanlış. Havanın yoğunluğu homojen değildir, yüksekliğe göre değişir ve Dünya yüzeyine daha yakın yerlerde havanın yoğunluğu artar.
II. Açık hava basıncı deniz seviyesinden yukarı çıkıldıkça azalırken sıvı basıncı derinlere inildikçe artar.
Doğru. Sıvı basıncı derinlikle artar ve yukarıdaki havanın azalan ağırlığı nedeniyle açık hava basıncı yükseklikle azalır.
III. Deniz seviyesindeki açık hava basıncı tüm coğrafi bölgelerde aynıdır.
Yanlış. Deniz seviyesindeki açık hava basıncı, coğrafi yüksekliğe ve diğer etmenlere bağlı olarak değişebilir ancak genellikle atmosfer basıncını ölçmek için bir referans noktası olarak kullanılır.
Dokuz sahne. Hepsinde üzerimizdeki hava sütununun ağırlığı var — çoğu zaman fark etmiyoruz, ta ki değişene kadar.
Teleferikle yükseldiğinde kulakların tıkanır, sonra yutkununca “pat” diye açılır. Dışarıdaki açık hava basıncı yükseklikle azalır, kulağının içindeki basınç ise bir süre eski değerinde kalır. Yutkunmak iki tarafı eşitler. Soru tam buydu: İzmir’den Erzurum Palandöken Kayak Merkezine giden bir kişi, açık hava basıncındaki değişim nedeniyle günlük hayatında nasıl değişiklikler yaşayabilir?
Dağcılık sporuyla uğraşanlar, yüksek dağların zirvesine yaklaştıkça kulaklarında tıkanma hisseder. Daha zor nefes alıp vermeye başlar ve burun kanaması gibi sağlık sorunları yaşayabilir. Çözüm: dağcılar, vücutlarının yüksekliğe alışmasına fırsat verecek bir tırmanma programını takip etmelidir. Bu süreç, tırmanılacak dağın yüksekliğine göre birkaç gün veya hafta sürebilir.
Pipet, sıvı içecekleri bardak veya şişeden kolayca içmek için kullanılan ince, plastik bir borudur. Pipetle emerken aslında sıvıyı “çekmiyorsun”: pipetin içindeki havayı azaltıyorsun, bardaktaki sıvının yüzeyine basan açık hava basıncı sıvıyı yukarı itiyor. Torricelli’nin borusundaki cıvayı 76 cm yukarı iten kuvvetin aynısı.
Yüksek rakımlı bir yere giden araçta cips paketinin şiştiğini görürsün. Paketin içindeki gazın basıncı sabit kalırken dışarıdaki açık hava basıncı azalır; dengelenmeyen iç basınç paketi şişirir. Önerme örneği aynısını söylüyor: gökyüzüne doğru yükselen balon patlar.
Telefonundaki hava durumu ekranındaki “alçak basınç” ve “yüksek basınç” ifadeleri tam olarak bu ünitenin konusu. Alçak basınç alanları genellikle sıcak havanın genleşerek yükselmesi, yüksek basınç alanları ise soğuk havanın yoğunlaşıp alçalmasıyla oluşur.
Açık hava basıncının insan sağlığı üzerinde doğrudan etkileri vardır. Örneğin alçak hava basıncı migren ve eklem ağrıları gibi kronik rahatsızlıkları tetikleyebilir. Ders kitabının kendi örneği. Ailende “hava değişecek, dizim ağrıyor” diyen biri varsa bunun bir karşılığı var.
Yazın gün ortasında denizden karaya doğru esen serin rüzgârı fark etmişsindir. Kara denizden hızlı ısınır; üstündeki hava genleşip yükselir ve alçak basınç oluşur. Deniz üzerindeki daha serin, yoğun hava yüksek basınç bölgesidir ve karaya doğru akar. Hava kütleleri, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket etmeye çalışır.
Otobüs yolculuğunda gördüğün dev pervaneler basınç farkının ürünü. Rüzgâr türbinlerinin pervaneleri rüzgârın etkisiyle döner ve bu hareket, türbinin içindeki jeneratörün elektrik üretmesini sağlar. Okyanuslar üzerinde daha az sürtünme olduğu için rüzgârlar daha hızlı eser — deniz üstü rüzgâr santrallerinin sebebi budur.
Banyoya taktığın vantuzlu askı, Magdeburg deneyinin küçük hâlidir. Vantuza bastırınca altındaki hava dışarı çıkar; içeride basınç kalmayınca dışarıdaki açık hava basıncı vantuzu duvara yapıştırır. Atların ayıramadığı yarım küreleri bir arada tutan kuvvetin aynısı.
Rastgele bir durum gelir; açık hava basıncının ya da hava yoğunluğunun nasıl değişeceğini seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.
Açık hava basıncı, Torricelli deneyi ve alçak-yüksek basınç alanları üzerine test
Atmosfer; azot, oksijen ve diğer gazlardan oluşan bir gaz tabakasıdır. Atmosferi
oluşturan gazlar ağırlıkları nedeniyle temas ettiği yüzeylere basınç uygular. Bu basınca
açık hava basıncı denir. Açık hava basıncı P₀ sembolü ile gösterilir.
Gazlar, ağırlıkları ve taneciklerinin çarpmasıyla temas ettikleri yüzeylere basınç
uygular.
Gazların molekülleri arasındaki geniş mesafeler ve zayıf çekim kuvvetleri, bu
maddelerin yoğunluğunun sıvılara göre daha düşük olmasına neden olur. Gazlar
sıkıştırılabilir özelliğe sahiptir. Sıvıların yoğunluğu gazların yoğunluğundan daha
büyüktür. Sıvılar sıkıştırılamaz kabul edilir.
Gazlarda basınç hesaplamaları genellikle yüksekliğe bağlı olarak yapılır. Atmosferde
yükseldikçe gazın yoğunluğu ve uyguladığı basınç azalır.
Torricelli, açık hava basıncını ölçmek için yaptığı deneyde 0 °C sıcaklığında ve deniz
seviyesindeki açık hava basıncını P₀ = 76 cmHg olarak ölçmüştür.
Düzenek: 0 °C sıcaklıkta ve 1 m yüksekliğinde cıva ile dolu, bir ucu kapalı cam boru;
ters çevrilip cıva dolu kaba daldırılır. Kaptaki ve borudaki cıva yüzeyleri arasındaki
fark 76 cm ölçülmüştür.
0 °C sıcaklıkta deniz seviyesinde gerçekleştirilen Torricelli deneyinde kullanılan
borunun şekli, kesiti, sıvıdaki konumu ve duruşu cıva seviyesini değiştirmez. Cıva her
zaman 76 cm’ye yükselir.
Belirleyici olan cıvanın dikey yüksekliğidir; boru eğilirse sütun boru boyunca
uzar ama düşey yükseklik değişmez.
P₀ = h · d · g = 0,76 · 13.600 · 9,8 = 101.300 Pa
1 atm = 76 cmHg = 1,013 · 10⁵ Pa
Cıvanın yoğunluğu 13.600 kg/m³, yer çekimi ivmesi 9,8 m/s² alınır.
Açık hava basıncı; hava sıcaklığı, hava yoğunluğu ve atmosferin kompozisyonu gibi
faktörlere bağlı olarak değişiklik gösterebilir.
Atmosferin kompozisyonu: atmosferi oluşturan gazların, parçacıkların ve diğer
elementlerin türleri ile bu türlerin oranları. Azot %78, oksijen %21,
karbondioksit-argon-su buharı ve diğer gazlar %1.
Sıcaklık arttıkça hava molekülleri hızlanır ve birbirinden uzaklaşır. Bu da yoğunluğun azalıp havanın genleşmesine yol açar. Genleşen hava yükselir, basınç düşer ve alçak basınç bölgeleri oluşur. Sıcaklık düştükçe moleküller yavaşlar ve yakınlaşır, yoğunluk artar, hava çöker ve yüksek basınç alanları oluşur.
Rüzgâr, atmosferdeki alçak ve yüksek basınç alanları arasındaki hava hareketidir.
Hava kütleleri, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket etmeye
çalışır ancak Dünya’nın kendi ekseni etrafında dönmesi, rüzgârın doğrusal hareket yapmasını
engeller ve onu sapmaya uğratır.
Hızını belirleyenler: basınç farkının büyüklüğü, dönme hareketinin etkisi, yüzey
sürtünmesi ve coğrafi engeller.
Otto von Guericke tarafından yapılmıştır. İki metal yarım küre birleştirilip vakum pompasıyla havası boşaltılmış, zıt yönde çeken atlar bile ayıramamıştır. İçeride hava kalmayınca dışarıdaki atmosfer basıncı yarım küreleri bir arada tutmuştur.
Açık hava basıncının ölçülmesinde ve atmosfer basıncının yükseklikle değişiminin anlaşılmasında çığır açan cıvalı barometreyi icat etmesiyle tanınır. Ayrıca bir sıvının bir delikten veya tüpten ne kadar hızlı çıktığını açıklayan Torricelli Yasası ile hidrodinamiğe önemli katkılarda bulunmuştur.