Atmosfera
atm — jednostka spoza SI · wielkość: ciśnienie · dokładnie 101 325 Pa
Florenccy studniarze skarżyli się, że żadna pompa nie podnosi wody wyżej niż dziesięć i pół metra, choćby nie wiem jak się starać. Galileusz zażartował, że naturze najwyraźniej kończy się lęk przed próżnią. Jego uczeń Torricelli postanowił sprawdzić to na serio i zastąpił wodę rtęcią — czternaście razy cięższą, więc słup wyjdzie krótszy i zmieści się na stole. Rtęć w zatopionej rurce zatrzymała się na siedemdziesięciu sześciu centymetrach, a nad nią została próżnia, której nie powinno być. Pompa zatem niczego nie zasysa: to powietrze wpycha wodę do rury i wpycha ją dokładnie z taką siłą, jaką ten słup potrafi zrównoważyć. Żyjemy, pisał Torricelli, zanurzeni na dnie oceanu powietrza.
01 · Definicja
Atmosfera to jednostka ciśnienia spoza układu SI, równa dokładnie 101 325 paskalom. Liczba nie została zmierzona, lecz ustalona: to ciśnienie słupa rtęci o wysokości 760 mm w zerze stopni przy normalnym przyspieszeniu ziemskim, obliczone raz i od 1954 roku zapisane jako definicja.
Zwróćmy uwagę, co stało się z logiką. Najpierw jednostką był przedmiot: słup rtęci, który można nalać, zmierzyć linijką i zobaczyć na własne oczy. Potem przedmiot przeliczono przez gęstość rtęci i siłę ciężkości, wyszła liczba pięciocyfrowa — i to samą liczbę ogłoszono jednostką. Rtęć przestała być potrzebna: jeśli jutro okaże się, że jej gęstość znamy nieco dokładniej, atmosfera nie drgnie, bo nie dotyczy już rtęci.
Myląca w tej jednostce jest tylko druga część nazwy. Atmosfera «normalna» nic nie mówi o tym, co dzieje się za oknem: rzeczywiste ciśnienie przy powierzchni waha się od 870 hektopaskali w oku tajfunu do 1085 nad zimową Syberią, a dokładnie jedna atmosfera wypada, ściśle rzecz biorąc, przypadkiem. To punkt odniesienia, nie pomiar: do niego sprowadza się objętości gazów, od niego liczy temperatury wrzenia, nim wzorcuje manometry — i z przyzwyczajenia nazywa się je «ciśnieniem normalnym», choć normalnego ciśnienia w przyrodzie nie ma.
Z ustalonej liczby wynika cała arytmetyka tej karty: atmosfera jest dokładnie 760 razy większa od milimetra słupa rtęci, 1,013 25 raza większa od bara i 1,033 raza większa od atmosfery technicznej — owej «at», kilograma-siły na centymetr kwadratowy, którą do dziś myli się z prawdziwą. Różnica wynosi trzy procent: dość, by zepsuć obliczenie, i za mało, by dostrzec błąd na manometrze.
Jedna atmosfera to dziesięć ton trzysta trzydzieści kilogramów powietrza stojącego na każdym metrze kwadratowym: około sześciuset kilogramów na barkach dorosłego, sto pięćdziesiąt na dłoni. Nie zgniata nas dlatego, że napiera i z zewnątrz, i od środka — wystarczy jednak zabrać połowę z jednej strony, a różnica staje się całkiem odczuwalną siłą. Przyssawka, słomka, podnośnik próżniowy do szyb i klatka piersiowa przy wdechu działają tak samo: nieco obniżyć ciśnienie po jednej stronie i pozwolić atmosferze wykonać pracę.
02 · Przeliczanie
Wpisz wartość — karta przeliczy ją na pozostałe jednostki
Trzy rodziny: sama skala ciśnień, znane przedmioty pod tym ciśnieniem oraz warunki standardowe wyznaczane przez atmosferę.
Główna pułapka tkwi nie we współczynnikach, lecz w tym, od czego się liczy. Domowy manometr — do opon, do kompresora, każdy ze wskazówką — pokazuje nadciśnienie, czyli różnicę wobec otaczającego powietrza; «dwa i pół w kole» oznacza trzy i pół bezwzględnych. Wzory praw gazowych, temperatury wrzenia i rozpuszczalności wymagają ciśnienia bezwzględnego. Stąd dwie litery w anglojęzycznych katalogach, psig i psia, i stąd też połowa zepsutych obliczeń: pomylić je znaczy pomylić się dokładnie o jedną atmosferę, co przy niskich ciśnieniach przewyższa samą mierzoną wielkość.
| Zapis | Co oznacza | Wartość | Gdzie występuje |
|---|---|---|---|
| atm | atmosfera normalna | 1,0000 | chemia, nurkowanie |
| Pa | paskal, jednostka SI | 101325 Pa | normy i obliczenia |
| kPa | kilopaskal | 101,325 | opony, technika w SI |
| bar | bar | 1,01325 | hydraulika, nurkowanie |
| hPa | hektopaskal, czyli milibar | 1013,3 | prognozy pogody |
| mmHg | tor | 760,00 | medycyna, technika próżniowa |
| at | techniczna, kG/cm² | 1,0332 | stara dokumentacja |
| psi | funt na cal kwadratowy | 14,696 | technika anglosaska |
| mmHg | Ciśnienie krwi | 101325 Pa | 120 mm — skurczowe u zdrowego |
| bar | Opona samochodu osobowego | 101325 Pa | 2,5 bar na manometrze |
| atm | Butla nurkowa | 101325 Pa | 200 atmosfer w stalowej |
| hPa | Prognoza pogody | 101325 Pa | 1013 hPa przy powierzchni |
| atm | Warunki standardowe IUPAC | 101325 Pa | 1 bar od 1982 roku, wcześniej atmosfera |
| kPa | Warunki normalne | 101325 Pa | 101,325 kPa i 0 °C |
| mmHg | Sprawdzenie barometryczne | 101325 Pa | 760 mm przy 0 °C i g₀ |
Przeliczenia są dokładne: wszystkie te jednostki zdefiniowano przez paskal całkowitymi współczynnikami i żadnej z nich nie poprawia się doświadczeniem. Jedyną żywą liczbą w tabeli jest hektopaskal: pokrywa się z milibarem, dlatego meteorologia zmieniła jednostkę, nie przeszkalając obserwatorów ani nie przerysowując map.
03 · Rzędy wielkości
logarytm dziesiętny ciśnienia, atmosferyZakres, w którym żyjemy, i zwykła technika
04 · Przyrządy pomiarowe
Czym mierzy się atmosferę
Metrowa szklana rurka, zatopiona z jednego końca, napełniona rtęcią i odwrócona do miseczki: rtęć opada, aż zatrzyma się na wysokości równowagi, a nad nią zostaje próżnia Torricellego — pierwsza próżnia zrobiona ludzką ręką. Przyrząd jest bez zarzutu dokładny i zupełnie niewygodny: waży, boi się przechyłu i wymaga poprawek na temperaturę rtęci oraz na miejscową siłę ciężkości. Za to nie potrzebuje wzorcowania — linijka jest skalą.
Ta sama zasada doprowadzona do metrologii: miseczka jest od dołu zaciągnięta skórzanym woreczkiem, a śrubą jej poziom za każdym razem doprowadza się do zera skali — do ostrza z kości słoniowej, które ma ledwie dotknąć swojego odbicia w rtęci. Dopiero potem odczytuje się szczyt słupa noniuszem, z dokładnością do dziesiątej części milimetra. Takimi barometrami do połowy XX wieku zadawano ciśnienie na stanowiskach wzorcowania i właśnie z ich wskazań, sprowadzonych do zera stopni i normalnej siły ciężkości, wyrosła liczba 101 325.
Zamiast rtęci — płaskie, karbowane pudełko z wypompowanym powietrzem, które lekko się spłaszcza, gdy ciśnienie rośnie, i prostuje, gdy spada. Skok jego ścianki to dziesiąte części milimetra, a cała sztuka przyrządu tkwi w dźwigniach powiększających ten ruch do wychyłu wskazówki. Aneroid można wozić, upuszczać i wieszać w przedpokoju, ale z czasem kłamie: sprężyna się męczy i trzeba go porównywać z rtęciowym. Tak jedna i ta sama wielkość dostała przyrząd «właściwy» i «wygodny».
W telefonie mieszka krzemowa membrana wielkości ziarnka piasku: ugina się pod ciśnieniem, a wraz z ugięciem zmienia się pojemność albo opór tensometrów na jej brzegu. Czułość to około dziesięciu paskali, czyli mniej niż metr wysokości, i dlatego nawigacja odróżnia pierwsze piętro od trzeciego. Barometrów jest już na świecie więcej niż termometrów, a ich wskazania, zebrane z milionów telefonów, trafiają już do modeli prognozy pogody.
05 · Zasady zapisu
Trzy małe litery i jedno zastrzeżenie
Jednostka nie pochodzi od nazwiska, dlatego jej oznaczenie pisze się małą literą; przedrostków się do niej nie dodaje.
Wielkie «A» pojawia się w katalogach sprzętu z importu i zawsze oznacza niechlujstwo, a nie inną jednostkę. Bar różni się od atmosfery o 1,3 procenta i wprowadzono go właśnie po to, by mieć okrągłą liczbę paskali; meteorologia porzuciła atmosferę na jego rzecz już w latach trzydziestych, a komunikaty podaje się w hektopaskalach, liczbowo równych milibarom. Techniczna «at» to kilogram-siła na centymetr kwadratowy, jest o trzy procent mniejsza od prawdziwej i w starej dokumentacji spotyka się ją częściej niż atm. Ostatni wiersz po prawej mówi o tym, czego brakuje: bez dopisku «bezwzględne» albo «nadciśnienie» liczba ciśnienia jest niepełna i jest to jedyne zastrzeżenie, którego nie wolno pominąć.
07 · Część historyczna
Jak próżnia stała się jednostką
Doświadczenie trwało minutę, a spierano się o nie dwadzieścia lat: nad rtęcią w rurce znalazła się próżnia, której — wedle powszechnego przekonania — być nie mogło. Torricelli wyjaśnił wszystko naraz: słup utrzymuje ciężar powietrza, a jego wysokość nie jest stała — zmieniała się z dnia na dzień. Przyrząd wymyślony dla filozoficznego sporu natychmiast okazał się przepowiadaczem pogody i jest to jedyny przypadek, gdy meteorologia narodziła się z próżni.
Blaise Pascal rozumował: jeśli słup utrzymuje powietrze, to w górach powietrza jest mniej i słup musi opaść. Sam był zbyt słabego zdrowia, więc na Puy de Dôme wszedł jego szwagier Florin Périer z dwiema rurkami: jedną zostawił u podnóża pod opieką mnicha, drugą poniósł w górę. Na szczycie rtęć opadła o trzy cale z linią. Spór się skończył: powietrze waży, i waży mniej w miarę wznoszenia się.
Burmistrz Magdeburga Otto von Guericke złożył dwie miedziane półkule, wypompował z nich powietrze własną pompą i zaproponował zaprzęgom, by je rozerwały. Osiem koni z każdej strony nie dało rady; przy pół metra średnicy atmosfera trzymała kulę z siłą około dwóch ton. Rachunek jest jasny dla każdego, kto umie pomnożyć powierzchnię przez ciśnienie, ale widowisko wyjaśniło to lepiej niż jakiekolwiek wyprowadzenie — i weszło do podręczników na cztery stulecia.
W połowie XX wieku wyszła na jaw niewygodna rzecz: definicja przez 760 milimetrów rtęci ciągnęła za sobą gęstość rtęci i miejscową siłę ciężkości, a obie wielkości wciąż uściślano. Dziesiąta Generalna Konferencja Miar przecięła węzeł, ogłaszając atmosferę równą 101 325 paskalom z definicji. Jednostka straciła związek z substancją i stała się zwykłym mnożnikiem — tym samym sposobem, którym później oderwano od przedmiotów metr, a potem kilogram.
Jednostka, którą zniesiono i której nie dało się usunąć
Atmosfera nie należy do SI i nie zaleca się jej stosowania: ciśnienie ma paskal, a dla dużych wartości jego przedrostki. Mimo to jednostka trzyma się tam, gdzie liczy się nie liczba, lecz porównanie z powietrzem za oknem. Chemik pisze «reakcja przy 3 atm», bo istotne jest dla niego, ile razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne; nurek liczy głębokość w atmosferach, bo każde dziesięć metrów wody dodaje dokładnie jedną i to najwygodniejszy rachunek w jego fachu; manometr do opon jest wyskalowany w barach i atm, ponieważ różnica między nimi jest mniejsza niż błąd przyrządu. Paradoks metrologiczny polega na tym, że po 1954 roku atmosfera przestała być pomiarem i stała się dokładnym mnożnikiem — czyli dokładnie tym, czym wygodnie się posługiwać, i dokładnie tym, czego nie da się sprawdzić doświadczeniem. Sprawdzić można barometr, nie jednostkę; a barometr wzorcowany w paskalach pokaże jedną atmosferę tylko przez rzadki zbieg okoliczności. Podobny los spotkał jej krewnych: milimetr słupa rtęci również zdefiniowano przez paskal i również żyje — w medycynie, gdzie mierzy się nim ciśnienie krwi, i żadne zalecenie tego nie zmieniło.
Katalog · jednostki miar
Karta dla każdej wielkości
Siedem jednostek podstawowych SI, dwadzieścia dwie pochodne o własnych nazwach oraz jednostki spoza SI, bez których nie obejdzie się ani technika, ani życie codzienne. Każda ma osobną kartę: definicja, przeliczanie, przyrządy, zasady zapisu. W 36 językach.
Ciśnienie: jednostki i ich powody
jedna wielkość, dziesiątka skalJednostki podstawowe SI
kilogram, metr, sekundaJęzyk karty
36 języków. Oznaczenie atm jest międzynarodowe, ale przywykłe skale już nie: w tłumaczeniu tabele dostosowuje się do miejscowej praktyki.