Опыт Торричелли

На протяжении большей части истории человечества давление таких газов, как воздух, игнорировалось, отрицалось или принималось как должное, но ещё в VI веке до нашей эры греческий философ Анаксимен Милетский утверждал, что все вещи состоят из воздуха, который просто изменяется под воздействием различных факторов, таких как давление^[4]. Он мог наблюдать, как вода испаряется, превращаясь в газ (пар), и полагал, что это применимо даже к твёрдому веществу^[5], то есть фактически предсказав явление сублимации. Более конденсированный воздух делал более холодными и тяжёлыми объекты, а расширенный воздух делал объекты более лёгкими и горячими. Это было похоже на то, как газы действительно становятся менее плотными в тепле, и более плотными на холоде^[6][7][4].

Аристотель в некоторых трудах утверждал, что «природа не терпит пустоты» (лат. Natura abhorret vacuum), а воздух не имеет массы/веса. Популярность этого философа закрепила эту точку зрения в Европе на протяжении двух тысяч лет. Даже Галилей принял его идею, полагая, что притяжение вакуума создаёт поток жидкости через сифон, и притяжение преодолевается, если сифон достаточно высок.

Во Флоренции местный герцог приказал построить всасывающий насос для своих садов, но, поскольку вода должны была подаваться на высоту более 10 метров, по мере преодоления этой высоты поршень не смог утянуть за собой водяной столб и между ним и водой образовывалось пустое пространство. С этой проблемой мастер пришёл к Галилею, который ответил ему, что природа действительно не любит пустоты^[8][9].

В 1643 году Торричелли и Вивиани^[10] — ученики Галилея — провёли опыты с ртутью, которые позволили им обнаружить присутствие воздуха. Они погружали закрытую с одного конца стеклянную трубку в сосуд с ртутью и поднимали из неё закрытый конец, оставляя открытый конец погружённым в металл. Вес ртути будет тянуть столб жидкости вниз, оставляя частичный вакуум на приподнятом конце трубки. Это подтвердило веру Торричелли в то, что воздух/газ имеет массу, создавая давление на окружающие предметы. Открытие помогло Торричелли написать в письме в 1644 году вывод^[10]:

Это устройство было по существу первым задокументированным барометром^[11][9][12]. Для доказательства существования пустого пространства между запаянным концом трубки и поверхностью столба ртути, в чашку наливалась вода и, когда трубку поднимали над поверхностью ртути в чашке, ртуть из трубки выливалась и заполнялась водой полностью^[13].

Блез Паскаль пошёл ещё дальше, поручив в 1648 году своему зятю Перье провести эксперимент на разных высотах в горах, который обнаружил, что чем глубже находишься в атмосферном океане, тем выше давление, что окончательно опровергло веру в то, что природа боится пустоты^[12].

В опыте используется простой заполненный ртутью до 75 % трубки барометр для измерения давления воздуха. Пузырьки воздуха в пробирке необходимо удалить путём переворачивания несколько раз. После этого ещё раз наливается чистая ртуть до полного заполнения трубки. Затем барометр кладут перевернутым на чашку с ртутью. Это заставляет ртуть в трубке падать вниз до тех пор, пока разница между уровнем ртути на поверхности и в трубке не составит около 760 мм^[14]. Даже когда пробирку встряхивают или наклоняют, разница между поверхностью и уровнем в трубке не изменяется из-за влияния атмосферного давления.

Торричелли пришёл к выводу, что уровню жидкой ртути в трубке соответствует величина атмосферного давления, которое присутствует и на поверхности жидкой ртути на тарелке. Он также заявил, что изменения уровня жидкости изо дня в день вызваны изменением атмосферного давления. Пустое пространство в трубке называется «торричеллиевой пустотой»^[15].

• 760 мм рт. ст. = 1 атм.^[16]
• 1 атм = 1 013 мбар или гПа
• 1 мбар или гПа = 0,7502467 мм рт. ст.