Fagstoff

Fysikk i gasser - atmosfærefysikk

Publisert: 05.08.2010, Oppdatert: 29.03.2011
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Atmosfærefysikk er fysikken om gasser. De brer seg utover i det volumet de får til rådighet. Gasser kan utvide seg, men også presses sammen. Luften er et godt eksempel på en gass. For å beskrive en gass er trykk, massetetthet og temperatur viktige parametre.

Idealgass

For at ikke fysikken skal bli for komplisert, vil vi holde oss til idealiserte gasser, det vil si gasser hvor følgende sammenheng gjelder:

$$p \cdot \frac{V}{T} = \mathrm{konstant} \quad \rightarrow \quad p_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2$$


Her er p trykket, V er volumet og T er absolutt temperatur. p, V og T beskriver tilstanden til gassen.

Denne sammenhengen mellom volumet og trykket i en avstengt gassmengde med konstant temperatur ble oppdaget av Boyle i 1662, og uavhengig av ham av Mariotte i 1683. Likningen over forteller oss at produktet av trykk og volum dividert med absolutt temperatur er konstant. Størrelsene trykk, volum og absolutt temperatur beskriver tilstanden til gassen.

Vi kan med god tilnærmelse betrakte atmosfæren som en idealgass. Teoretisk tenker man seg at en idealgass består av enkeltpartikler uten utstrekning og uten tiltrekningskraft. Teorien som beskriver slike gasser, kalles den kinetiske gassteorien Partiklene er i stadig bevegelse. Fordi antall partikler er så enormt stort, kan vi bruke statistiske middelverdier for de ulike størrelsene. Produktet av trykk og volum dividert med absolutt temperatur er konstant. Størrelsene trykk, volum og absolutt temperatur beskriver tilstanden til gassen. Ut i fra kinetisk gassteori får man ett enkelt matematisk uttrykk kalt tilstandslikningen:

$$p \cdot V = N \cdot k \cdot T$$


hvor p er trykket, N er antallet partikkler i gassen, V er volumet av gassen, T er temperaturen i kelvin og k er Boltzmanns konstant. Denne konstanten har samme verdi for alle gasser; dvs. den er en universalkonstant med verdi 1,38 · 10-23 J/K. Hvis vi regner ut partikkeltettheten i gassen som n = N / V får vi:

$$p = n \cdot k \cdot T$$

 

Trykk - lufttrykk

Trykk er definert som kraft (F) per areal (A). Trykket (p = F/A) er en skalar størrelse som i SI-enheter måles i Newton per kvadratmeter (N/m). Denne enheten kalles pascal etter den franske fysikeren Blaise Pascal (1623 – 1662) og symbolet er Pa.

En Pa er en liten enhet. Derfor bruker vi ofte kilopascal (kPa) eller megapascal (MPa = 106 Pa). En annen enhet for trykk som spesielt er mye brukt i USA er enheten bar. Bar er definert ved at 1 bar = 1,00 · 105 Pa.

Tidligere har det også vært vanlig å oppgi trykk i millimeter-kvikksølv (mm-Hg). (Hg er det kjemiske tegnet for kvikksølv). Det skyldes at en av de tidligste måtene å måle trykket på var å se hvor mye kvikksølv man fikk løftet opp i et rør ved et gitt trykk. Sammenhengen mellom trykket og høyden på kvikksølvsøylen er da P=ϱgΔh, hvor ϱ er massetettheten til kvikksølv og Δh er høyden på kvikksølvsøylen. Denne enheten kalles også torr etter den italienske fysikeren Evngelista Torricelli som oppfant det første barometeret. Siden gravitasjonen ikke er helt den samme overalt, og massetettheten til kvikksølv også er avhengig av temperatur er enheten torr i dag definert ut i fra Pa. Vi kan si at:

$$1 \ \mathrm{mm-Hg} \equiv 1 \ \mathrm{torr} = 1,333 \cdot 10^2 \mathrm{N} / \mathrm{m}^2 = 1,333 \cdot 10^2 \mathrm{Pa}$$



Lufttrykket ved havoverflaten angis ofte som 760 torr. Dette kalles også en standard atmosfære, som ofte forkortes til 1 atm. Målt i SI-systemet blir dette 1,013 · 105 N/m2 = 1,013 · 105 Pa, eller 1013 hPa (hekto-Pascal). Instrumenter som måler lufttrykket, kalles som regel barometere.

Massetetthet

Massetettheten – med symbol ϱ (gresk rho), er per definisjon masse (m) av stoffet dividert med volumet – dvs. ϱ = m/V. Hvis det ikke er fare for misforståelse, sier vi ofte bare tetthet eller densitet. SI-enheten for massetetthet er kg/m3. Tettheten for luft ved normal trykk og null grader (0 °C) er 1,29 kg/m3. Dette er lite sammenlignet med f. eks. tettheten for en nøytronstjerne som er ca. 1017 kg/m3.

Oppdrift

Når vi holder en ballong fylt med hydrogen eller varm luft, må vi bruke en kraft nedover for at ballongen ikke skal fly til værs. Løfter vi en skoleelev må vi bruke en kraft oppover som er nesten like stor, som tyngden av eleven om han ikke skal falle til bakken. Også i atmosfæren har vi en kraft som virker oppover. Den kalles oppdrift. Oppdriften er rettet oppover, og den er lik tyngden av gassen som legemet fortrenger. Legemer med mindre tetthet enn luften stiger til værs.

Det finnes også en annen effekt som er viktig når det er store bevegelser i luften, for eksempel sterk vind. Trykket i en gass avtar med økende hastighet av gassen. Dette kalles Bernoullis prinsipp. Dette prinsippet utnyttes i flyteknikken. Pga. formen på vingene til et fly, strømmer luften mye raskere på oversiden enn på undersiden av vingene. Trykkraften oppover på undersiden av vingene blir da større enn trykkraften nedover på oversiden. Når flyet beveger seg fort nok framover, blir forskjellen større enn tyngden av flyet. Det flyr.

FlyvingeFlyvingeprinsippet
Opphavsmann: Narom


 

Oppgaver

Generelt