Atmosphere
atm — đơn vị ngoài SI · đại lượng: áp suất · đúng 101 325 Pa
Những người đào giếng ở Florence than phiền rằng không máy bơm nào đưa nước lên cao quá mười mét rưỡi, dù cố gắng đến đâu. Galilei nói đùa rằng xem ra tự nhiên đã cạn nỗi sợ khoảng chân không. Học trò của ông, Torricelli, quyết định kiểm chứng nghiêm túc và thay nước bằng thủy ngân — nặng gấp mười bốn lần, nên cột sẽ ngắn hơn và vừa đặt trên bàn. Thủy ngân trong ống hàn kín dừng lại ở bảy mươi sáu xentimét, còn phía trên là khoảng trống lẽ ra không được tồn tại. Vậy là máy bơm chẳng hút gì cả: chính không khí ép nước vào ống, và ép đúng bằng lực mà cột này cân bằng được. Chúng ta sống, Torricelli viết, chìm dưới đáy một đại dương không khí.
01 · Định nghĩa
Atmosphere là đơn vị áp suất ngoài SI, bằng đúng 101 325 pascal. Con số này không phải đo được mà được ấn định: đó là áp suất của cột thủy ngân cao 760 mm ở không độ với gia tốc trọng trường tiêu chuẩn, tính một lần và từ năm 1954 được ghi nhận làm định nghĩa.
Hãy để ý điều gì đã xảy ra với lôgic. Ban đầu đơn vị là một vật: cột thủy ngân có thể rót ra, đo bằng thước và nhìn thấy bằng mắt. Sau đó người ta tính vật ấy qua khối lượng riêng của thủy ngân và trọng lực, ra một con số năm chữ số — rồi chính con số được tuyên bố là đơn vị. Từ đó thủy ngân không còn cần thiết: nếu mai đây khối lượng riêng của nó được biết chính xác hơn một chút, atmosphere vẫn không nhúc nhích, vì nó không còn nói về thủy ngân nữa.
Điều đánh lừa ở đơn vị này chỉ là nửa sau của cái tên. Khí quyển «tiêu chuẩn» chẳng nói gì về những gì diễn ra ngoài cửa sổ: áp suất thực ở mặt đất dao động từ 870 hectopascal trong mắt bão đến 1085 trên vùng Siberia mùa đông, và đúng một atmosphere xảy ra, nói cho chặt chẽ, một cách tình cờ. Đó là mốc quy chiếu chứ không phải phép đo: thể tích khí được quy về nó, nhiệt độ sôi được tính từ nó, áp kế được hiệu chuẩn theo nó — và theo thói quen người ta gọi nó là «áp suất bình thường», dù trong tự nhiên không hề có áp suất bình thường.
Từ con số đã ấn định suy ra toàn bộ số học của trang này: atmosphere lớn đúng gấp 760 lần milimét thủy ngân, gấp 1,013 25 lần bar và gấp 1,033 lần atmosphere kỹ thuật — chính là «at», kilôgam-lực trên xentimét vuông, đến nay vẫn bị lẫn với cái thật. Chênh lệch là ba phần trăm: đủ để làm hỏng một phép tính, và quá ít để nhận ra sai số trên đồng hồ áp.
Một atmosphere là mười tấn ba trăm ba mươi kilôgam không khí đè lên mỗi mét vuông: chừng sáu trăm kilôgam trên vai một người lớn, một trăm năm mươi trên lòng bàn tay. Nó không nghiền nát ta vì ép cả từ ngoài lẫn từ trong — nhưng chỉ cần bớt đi một nửa ở một phía, chênh lệch lập tức thành lực rất đáng kể. Cái giác hút, ống hút, thiết bị nâng kính bằng chân không và lồng ngực khi hít vào đều hoạt động theo cùng một cách: hạ áp suất một chút ở một phía và để khí quyển tự làm phần việc còn lại.
02 · Quy đổi
Nhập một giá trị — trang này sẽ quy đổi sang các đơn vị còn lại
Ba nhóm: bản thân thang áp suất, những vật quen thuộc dưới áp suất ấy, và các điều kiện chuẩn do khí quyển đặt ra.
Cái bẫy chính không nằm ở hệ số mà ở chỗ ta tính từ đâu. Đồng hồ áp gia dụng — cho lốp, cho máy nén, bất kỳ loại có kim nào — chỉ áp suất dư, tức chênh lệch so với không khí xung quanh; «hai rưỡi trong lốp» nghĩa là ba rưỡi tuyệt đối. Các công thức của định luật chất khí, nhiệt độ sôi và độ tan đều đòi áp suất tuyệt đối. Từ đó mà có hai chữ trong catalô tiếng Anh, psig và psia, và cũng từ đó mà có một nửa số phép tính hỏng: nhầm chúng nghĩa là sai đúng một atmosphere, ở áp suất thấp còn lớn hơn chính đại lượng đang đo.
| Cách viết | Nghĩa là gì | Giá trị | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| atm | khí quyển tiêu chuẩn | 1,0000 | hóa học, lặn biển |
| Pa | pascal, đơn vị SI | 101325 Pa | tiêu chuẩn và tính toán |
| kPa | kilopascal | 101,325 | lốp xe, kỹ thuật theo SI |
| bar | bar | 1,01325 | thủy lực, lặn biển |
| hPa | hectopascal, tức milibar | 1013,3 | bản tin thời tiết |
| mmHg | torr | 760,00 | y học, kỹ thuật chân không |
| at | kỹ thuật, kgf/cm² | 1,0332 | tài liệu cũ |
| psi | pound trên inch vuông | 14,696 | kỹ thuật Anh–Mỹ |
| mmHg | Huyết áp | 101325 Pa | 120 mm — huyết áp tâm thu ở người khỏe |
| bar | Lốp xe con | 101325 Pa | 2,5 bar trên đồng hồ |
| atm | Bình lặn | 101325 Pa | 200 atmosphere trong bình thép |
| hPa | Bản tin thời tiết | 101325 Pa | 1013 hPa ở mặt đất |
| atm | Điều kiện chuẩn của IUPAC | 101325 Pa | 1 bar từ năm 1982, trước đó là atmosphere |
| kPa | Điều kiện thường | 101325 Pa | 101,325 kPa và 0 °C |
| mmHg | Hiệu chuẩn khí áp | 101325 Pa | 760 mm ở 0 °C và g₀ |
Các phép quy đổi đều chính xác: mọi đơn vị này được định nghĩa qua pascal bằng hệ số nguyên, và không đơn vị nào phải hiệu chỉnh bằng thực nghiệm. Con số sống duy nhất trong bảng là hectopascal: nó trùng với milibar, và nhờ thế khí tượng học đổi được đơn vị mà không phải đào tạo lại quan trắc viên hay vẽ lại bản đồ.
03 · Bậc độ lớn
lôgarit thập phân của áp suất, atmosphereKhoảng sống được và kỹ thuật thường ngày
04 · Dụng cụ đo
Đo khí quyển bằng gì
Một ống thủy tinh dài một mét, hàn kín một đầu, đổ đầy thủy ngân rồi úp vào chậu: thủy ngân tụt xuống cho đến khi dừng ở độ cao cân bằng, phía trên còn lại khoảng chân không Torricelli — chân không đầu tiên do tay người tạo ra. Dụng cụ này chính xác không chê vào đâu được và bất tiện vô cùng: nó nặng, sợ nghiêng và đòi hiệu chỉnh theo nhiệt độ thủy ngân cùng trọng lực địa phương. Bù lại nó không cần hiệu chuẩn — cây thước chính là thang đo.
Vẫn nguyên tắc ấy nhưng đưa đến mức đo lường học: chậu được bịt dưới bằng túi da, và mỗi lần người ta vặn vít để mặt thủy ngân chạm đúng vạch không của thang — một mũi ngà voi chỉ vừa đủ chạm bóng của chính nó trong thủy ngân. Chỉ sau đó mới đọc đỉnh cột bằng du xích, chính xác tới một phần mười milimét. Bằng những khí áp kế như vậy, áp suất được đặt trên bàn hiệu chuẩn cho tới giữa thế kỷ XX, và chính từ số đọc của chúng, quy về không độ và trọng lực tiêu chuẩn, đã mọc lên con số 101 325.
Thay cho thủy ngân là một hộp dẹt gấp nếp đã hút hết không khí: nó hơi bẹp xuống khi áp suất tăng và duỗi ra khi áp suất giảm. Thành hộp chỉ dịch chuyển vài phần mười milimét, và toàn bộ mẹo của dụng cụ nằm ở hệ đòn bẩy phóng chuyển động ấy lên thành độ lệch của kim. Áp kế hộp có thể mang đi, làm rơi và treo ở hành lang, nhưng theo thời gian nó nói dối: lò xo mỏi và phải đem đối chiếu với khí áp kế thủy ngân. Thế là cùng một đại lượng có được dụng cụ «đúng» và dụng cụ «tiện».
Trong điện thoại có một màng silic bé bằng hạt cát: nó võng xuống dưới áp suất, và cùng với độ võng ấy, điện dung hoặc điện trở của các cảm biến biến dạng ở mép màng thay đổi. Độ nhạy khoảng mười pascal, tức là chưa tới một mét độ cao, nhờ vậy phần dẫn đường phân biệt được tầng một với tầng ba. Khí áp kế trên thế giới nay đã nhiều hơn nhiệt kế, và số liệu của chúng, thu từ hàng triệu điện thoại, đã được đưa vào các mô hình dự báo thời tiết.
05 · Quy tắc viết
Ba chữ thường và một lưu ý
Đơn vị này không mang tên người, nên ký hiệu viết thường; không gắn tiền tố vào nó.
Chữ «A» viết hoa xuất hiện trong catalô thiết bị nhập khẩu và bao giờ cũng là dấu hiệu của sự cẩu thả, chứ không phải một đơn vị khác. Bar khác atmosphere 1,3 phần trăm và được đưa ra chính là để có số pascal tròn; khí tượng học đã bỏ atmosphere để dùng nó từ những năm ba mươi, và các bản tin đi bằng hectopascal, về trị số bằng milibar. «At» kỹ thuật là kilôgam-lực trên xentimét vuông, nhỏ hơn cái thật ba phần trăm, và trong tài liệu cũ nó xuất hiện nhiều hơn atm. Dòng cuối bên phải nói về cái còn thiếu: không có ghi chú «tuyệt đối» hay «dư», con số áp suất là chưa đầy đủ, và đó là lưu ý duy nhất không được bỏ qua.
07 · Phần lịch sử
Khoảng chân không đã thành đơn vị ra sao
Thí nghiệm mất một phút, còn tranh cãi về nó kéo dài hai mươi năm: phía trên thủy ngân trong ống là khoảng trống mà theo niềm tin chung thì không thể tồn tại. Torricelli giải thích tất cả trong một lần: cột thủy ngân được giữ bởi trọng lượng không khí, và chiều cao của nó không cố định — nó thay đổi từng ngày. Dụng cụ nghĩ ra vì một cuộc tranh luận triết học lập tức trở thành người dự báo thời tiết, và đây là trường hợp duy nhất khí tượng học ra đời từ chân không.
Blaise Pascal lập luận: nếu không khí giữ cột thủy ngân thì trên núi không khí ít hơn và cột phải hạ xuống. Bản thân ông quá yếu, nên người leo lên Puy de Dôme là anh rể Florin Périer với hai chiếc ống: một để lại dưới chân núi dưới sự trông coi của một tu sĩ, một mang lên đỉnh. Trên đỉnh, thủy ngân hạ ba inch và một vạch. Cuộc tranh cãi khép lại: không khí có trọng lượng, và càng lên cao trọng lượng ấy càng nhỏ.
Thị trưởng Magdeburg Otto von Guericke ghép hai bán cầu bằng đồng, dùng chiếc bơm của mình hút hết không khí và mời các cỗ ngựa kéo tách chúng ra. Tám con ngựa mỗi bên không làm nổi; với đường kính nửa mét, khí quyển giữ quả cầu bằng lực chừng hai tấn. Phép tính rõ ràng với bất kỳ ai biết nhân diện tích với áp suất, nhưng màn trình diễn giải thích điều đó hay hơn mọi suy luận — và đi vào sách giáo khoa suốt bốn thế kỷ.
Đến giữa thế kỷ XX lộ ra điều bất tiện: định nghĩa qua 760 milimét thủy ngân kéo theo khối lượng riêng của thủy ngân và trọng lực địa phương, mà cả hai đại lượng ấy vẫn liên tục được xác định lại. Hội nghị toàn thể về Cân đo lần thứ mười cắt nút thắt bằng cách tuyên bố atmosphere bằng 101 325 pascal theo định nghĩa. Đơn vị mất mối liên hệ với vật chất và trở thành một hệ số thuần túy — cũng chính cách mà sau này mét, rồi kilôgam, được tách khỏi vật mẫu của mình.
Đơn vị bị bãi bỏ mà không sao dẹp được
Atmosphere không thuộc SI và không được khuyến nghị dùng: áp suất đã có pascal, còn với giá trị lớn thì có các tiền tố của nó. Dù vậy đơn vị này vẫn trụ lại ở những nơi mà điều quan trọng không phải con số, mà là phép so với không khí ngoài cửa sổ. Nhà hóa học viết «phản ứng ở 3 atm» vì với ông điều đáng kể là gấp bao nhiêu lần áp suất khí quyển; thợ lặn tính độ sâu theo atmosphere vì mỗi mười mét nước cộng thêm đúng một, và đó là cách tính tiện nhất trong nghề; đồng hồ đo lốp chia vạch theo bar và atm, bởi chênh lệch giữa chúng còn nhỏ hơn sai số của dụng cụ. Nghịch lý đo lường ở đây là: sau năm 1954, atmosphere thôi làm phép đo và trở thành một hệ số chính xác — tức đúng thứ tiện dùng và đúng thứ không thể kiểm chứng bằng thực nghiệm. Cái kiểm chứng được là khí áp kế, chứ không phải đơn vị; mà khí áp kế hiệu chuẩn theo pascal chỉ chỉ đúng một atmosphere trong một trùng hợp hiếm hoi. Số phận tương tự cũng đến với họ hàng của nó: milimét thủy ngân cũng được định nghĩa qua pascal và cũng vẫn sống — trong y học, nơi người ta đo huyết áp bằng nó, và không khuyến nghị nào thay đổi được điều đó.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một trang
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và những đơn vị ngoài SI mà cả kỹ thuật lẫn đời sống đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị một trang riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ đo, quy tắc viết. Bằng 36 ngôn ngữ.
Áp suất: các đơn vị và lý do của chúng
một đại lượng, cả chục thang đoCác đơn vị cơ bản SI
kilôgam, mét, giâyNgôn ngữ của trang
36 ngôn ngữ. Ký hiệu atm mang tính quốc tế, còn các thang đo quen thuộc thì không: khi dịch, các bảng được đưa về thực tế địa phương.