PRESSION ATMOSPHÉRIQUE: VALEUR NORMALE, COMMENT LA MESURER, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2024

La pression atmosphérique est causée par le poids des gaz composant l'atmosphère au-dessus de la Terre. On estime que la masse de l'atmosphère est d'environ 5 x 10 ¹⁸ kg et tous les êtres vivants sont soumis à la pression que cette masse exerce.

Le premier à le mesurer fut le scientifique italien Evangelista Torricelli (1608-1647). Il fit une expérience simple mais très ingénieuse en 1644: il remplit complètement un tube de verre fermé à une extrémité avec du mercure, le renversa et le versa dans un récipient contenant également du mercure.

Figure 1. Baromètre anéroïde pour mesurer la pression atmosphérique, contrairement au baromètre à mercure, il ne contient pas de liquide. Source: Wikimedia Commons.

Torricelli a observé que le tube ne se vidait pas complètement, mais était rempli de mercure à une hauteur de 76 cm. Surpris, il a fait de nombreux tests avec des tubes de formes différentes, obtenant toujours le même résultat.

De cette manière, Torricelli s'est rendu compte que la pression atmosphérique augmentait et maintenait la colonne de mercure à l'intérieur du tube à une hauteur de 760 mm. De cette manière, la valeur moyenne de la pression atmosphérique est établie.

Puisque la pression est définie comme une force par unité de surface, les unités de pression atmosphérique dans le système international sont newton / mètre ou pascal, qui est abrégé Pa. Ainsi, dans ce système, la pression atmosphérique P _atm a une valeur de:

Il s'agit de la valeur normale de la pression atmosphérique à 0 ºC et au niveau de la mer.

Pression atmosphérique au niveau de la mer et autres variations

En théorie, la valeur maximale de la pression atmosphérique est juste au niveau de la mer. Bien qu'il y ait tellement de variabilité à ce niveau, les experts doivent définir un système de référence pour les aider à déterminer sa valeur.

Voici les principaux facteurs qui affectent la valeur de la pression atmosphérique à un certain endroit sur Terre:

-Altitude: tous les 10 mètres de hauteur, la pression diminue de 1 mm de Hg. Mais il arrive aussi que la densité du gaz qui compose l'atmosphère ne soit pas constante. En principe, à mesure que l'altitude augmente, la densité de l'air diminue.

Figure 2. Altimètre, un instrument qui mesure l'altitude au-dessus du niveau de la mer en fonction des changements de pression. Source: Pixabay.

- Température: évidemment plus la température est élevée, plus la densité diminue et l'air pèse moins, donc la valeur de la pression diminue.

- Latitude: la pression atmosphérique est plus faible aux latitudes équatoriales, car la Terre n'est pas une sphère parfaite. La côte à l'équateur est plus éloignée du centre de la Terre que les pôles et là la densité de l'air est également plus faible.

- Continentalité: plus elle se déplace vers l'intérieur des continents, plus la pression atmosphérique est élevée, tandis que dans les zones côtières, la pression est plus faible.

Variation de la pression atmosphérique avec la hauteur

L'équation altimétrique qui relie la pression atmosphérique P d'un lieu à sa hauteur z au-dessus du niveau de la mer, a cette forme:

Ici P _o est la pression à la hauteur initiale ou de référence, qui est normalement prise au niveau de la mer, ρ _ou la densité de l'air au niveau de la mer, et g la valeur de l'accélération de la pesanteur. Plus loin dans la section des exercices résolus se trouve la déduction étape par étape.

Comment la pression atmosphérique est-elle mesurée?

La pression atmosphérique est mesurée avec le baromètre. Le plus simple est comme celui construit par Torricelli, à base de mercure. L'inclinaison du tube ou le diamètre ne modifie pas la hauteur de la colonne de mercure, sauf si les facteurs climatiques en sont responsables.

Par exemple, les nuages ​​se forment dans les régions de basse pression. Ainsi, lorsque la lecture du baromètre baisse, c'est un signe que le mauvais temps arrive.

En fait, d'autres liquides pourraient également être utilisés à la place du mercure, par exemple un baromètre à eau peut être fabriqué. Le problème est que la taille de la colonne est de 10,33 m, très peu pratique à transporter.

Il existe également des instruments qui mesurent la pression mécaniquement - par déformations dans des tubes ou des spirales -: baromètres anéroïdes et manomètres. Ils peuvent mesurer la différence de pression entre deux points ou également mesurer une pression en prenant la pression atmosphérique comme référence.

Unités de pression

La valeur de pression normale permet de définir une nouvelle unité de pression: l'atmosphère, en abrégé atm. La pression atmosphérique est de 1 atm; de cette manière, d'autres pressions peuvent être exprimées en termes de pression atmosphérique, qui est une valeur très familière à tous:

Le tableau suivant montre les unités les plus utilisées en science et en génie pour mesurer la pression, et l'équivalent correspondant en pascals:

Unité	Equivalence en pascal
N / m 2	une
au m	101 355
mm Hg	133,3
lb / po 2	6894,76
Pub	1x 10 5

Pression hydrostatique, absolue et relative

Sur la surface libre d'un liquide en équilibre statique et ouvert à l'atmosphère, agit la pression atmosphérique. Mais aux points intérieurs du liquide, bien sûr, le poids de la colonne de fluide agit.

Le poids de la colonne dépend de sa hauteur et de la densité du liquide, que nous supposerons constante, tout comme la température. Dans ce cas, la pression P est:

Il s'agit de la pression hydrostatique en tout point à l'intérieur d'un fluide à densité constante et est directement proportionnelle à la profondeur z du fluide.

Concernant la pression absolue P _abs dans un fluide au repos, elle est définie comme la somme de la pression atmosphérique P _atm et de la pression hydrostatique P:

Enfin, la pression relative P _man dans un fluide au repos est la différence entre la pression absolue et la pression atmosphérique et dans ce cas elle équivaut à mesurer la pression hydrostatique:

Exemples

La force que l'atmosphère exerce sur le corps

L'ampleur de la force totale exercée par l'atmosphère sur un corps humain peut être estimée. Supposons que le corps ait environ une surface de 2 m ², puisque la pression est définie comme une force par unité de surface, nous pouvons résoudre et calculer la force:

Pour ce calcul, nous utiliserons la valeur normale de la pression atmosphérique qui a été établie au départ:

Ce résultat équivaut à plus ou moins 20 tonnes de force, mais il ne représente pas un problème pour les êtres vivants qui habitent la surface de la Terre, qui s'y adaptent, tout comme les poissons dans la mer.

Bien que ce soit une force assez importante. Comment se fait-il que nous ne nous effondrions pas avant?

Eh bien, la pression à l'intérieur du corps est égale à la pression à l'extérieur. Nous ne nous effondrons pas parce que la force intérieure est équilibrée par une autre force extérieure. Mais certaines personnes sont affectées par l'altitude et peuvent saigner du nez lors de l'ascension de très hautes montagnes. C'est parce que l'équilibre entre la pression artérielle et la pression atmosphérique a été perturbé.

Sirotez des boissons avec une paille ou une paille

La pression atmosphérique permet de boire du soda avec une paille ou une paille. Les Sumériens et d'autres cultures anciennes avaient découvert qu'ils pouvaient boire de la bière en utilisant des tiges de plantes creuses ou des roseaux comme pailles.

Bien plus tard, à la fin du 19e et au début du 20e siècle, divers modèles de pailles ont été brevetés aux États-Unis, y compris ceux à coude en accordéon, largement utilisés aujourd'hui.

Figure 3. La pression atmosphérique vous permet de siroter avec une paille. Source: Pixabay.

Voici comment ils fonctionnent: au fur et à mesure que le liquide est absorbé par la paille, la pression au-dessus du liquide dans la paille est réduite et cela fait que la pression inférieure, qui est plus élevée, pousse le liquide vers le haut pour une consommation facile.

Pour cette raison, après une extraction ou une chirurgie dentaire, il n'est pas recommandé de siroter des liquides de cette manière, car la diminution de la pression peut provoquer l'ouverture de la plaie et le saignement.

Exercices

- Exercice 1

Dérivez l'équation altimétrique P (z):

-Po est la pression au niveau de référence (niveau de la mer)

-z est la hauteur

-ρ _o est la densité du fluide au niveau de la mer

-g est la valeur de l'accélération de la pesanteur

Solution

Premièrement, soit dp une pression différentielle, qui, selon l'équation fondamentale de l'hydrostatique, est exprimée par:

Le signe moins tient compte du fait que la pression diminue avec l'augmentation de z. L'air sera également considéré comme un gaz idéal, de sorte que la pression et la densité sont liées par:

La densité est immédiatement substituée pour obtenir:

Or, écrire la pression de cette manière suppose que l'atmosphère est divisée en couches de hauteur dz, quelque chose comme une pile de crêpes, chacune avec une pression dp. De cette manière, on obtient une équation différentielle qui est résolue en séparant les variables p et z:

Il est ensuite intégré des deux côtés, ce qui revient à additionner les apports de pression de chaque couche. Dans l'intégrale de gauche, il est constitué d'une pression P _ou initiale à une pression finale P. De la même manière, l'intégrale de droite évalue de z _o à z:

Ce qui suit est de résoudre pour P en utilisant l'exponentielle:

Enfin, si T et g sont maintenus constants, ρ _o = (M / RT) P _o, alors M / RT = ρ _o / P _o, et nous pouvons aussi faire z _o = 0. En réunissant tout cela:

- Exercice 2

Quelle est la valeur de la pression atmosphérique à La Paz, Bolivie située à 3640 m d'altitude? Prenons la densité moyenne de l'air à 1 225 kg / m ³ au niveau de la mer.

Solution

Remplacez simplement les valeurs numériques données dans l'équation altimétrique:

En conclusion, c'est environ 66% de la pression normale.

Références

1. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 5. Fluides et thermodynamique. Edité par Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Physique: un regard sur le monde. 6e édition abrégée. Apprentissage Cengage.
3. L'atmosphère standard. Récupéré de: av8n.com
4. Université de Séville. Variation de la pression atmosphérique. Récupéré de: laplace.us.es.
5. Wikipédia. Équation hypsométrique. Récupéré de: es.wikipedia.org.
6. Wikipédia. Pression atmosphèrique. Récupéré de: es.wikipedia.org.