Açık hava basıncı ve gaz basıncı

Kapalı bir cips paketiyle deniz kıyısından yüksek bir yaylaya çıkan biri, paketin yolculuk boyunca gittikçe şiştiğini fark eder. Kimse pakete hava pompalamamıştır; paketin içindeki hava aynıdır. Değişen, paketin dışındaki havanın baskısıdır. Uçak kalkarken ve inerken kulaklarımızın tıkanması, pipetle meyve suyu içebilmemiz, cama yapışan vantuzlu askılar ve vakumlu ambalajlardaki kahvenin taş gibi sertleşmesi de aynı görünmez baskının sonucudur. Hepimiz, kilometrelerce yükseklikteki bir hava okyanusunun dibinde yaşıyoruz ve bu havanın ağırlığı her an üzerimize basınç uyguluyor. Önceki derslerde katıların ve sıvıların basıncını hesapladık. Bu derste gazlara geçiyoruz: açık hava basıncının kaynağını, Torricelli deneyini ve barometreyi, basıncın yükseklikle değişimini, açık hava basıncının günlük hayattaki etkilerini, kapalı kaplardaki gaz basıncını ve onu ölçen manometreyi öğreniyoruz.

• Açık hava basıncını havanın ağırlığıyla açıklar, Torricelli deneyini yorumlarsın.
• Açık hava basıncının yükseklikle değişimini ve günlük hayattaki sonuçlarını açıklarsın.
• Kapalı kaptaki gaz basıncını tanecik çarpmalarıyla açıklar, sıcaklık, miktar ve hacimle değişimini yorumlarsın.
• Açık manometreyle gaz basıncını ve sıvı içinde toplam basıncı hesaplarsın.

Açık hava basıncı

Dünya'yı saran hava, kütlesi olan gaz taneciklerinden oluşur ve yerçekimiyle yeryüzüne doğru çekilir. Yeryüzündeki her yüzey, üzerindeki hava sütununun ağırlığını taşır. Havanın bu ağırlığından doğan basınca açık hava basıncı (atmosfer basıncı) denir. Hava bir akışkan olduğu için bu basınç, tıpkı sıvı basıncı gibi her yöne etki eder.

Deniz seviyesinde açık hava basıncı yaklaşık 100 000 Pa'dır. Bu değer 1 atmosfer (1 atm) olarak da anılır. Vücudumuzun her santimetre karesine büyük bir kuvvet etki eder ama ezilmeyiz; çünkü vücudumuzun içindeki sıvılar ve gazlar da dışarıya doğru aynı büyüklükte basınç uygular.

Torricelli deneyi ve barometre

İtalyan bilim insanı Evangelista Torricelli, 1640'larda açık hava basıncını ölçmenin bir yolunu buldu. Bir ucu kapalı, yaklaşık 1 m uzunluğundaki cam boruyu cıvayla doldurdu ve ağzını kapatarak cıva dolu bir kaba ters çevirdi. Boru açıldığında cıvanın bir kısmı kaba indi, ama tamamı inmedi: deniz seviyesinde borudaki cıva sütunu kaptaki cıva yüzeyinden yaklaşık 76 cm yukarıda durdu. Sütunun üstünde neredeyse boşluk kaldı.

Cıva sütununu tutan, kaptaki cıvanın yüzeyine bastıran açık hava basıncıdır. Sütunun tabanındaki sıvı basıncı açık hava basıncına eşittir. Bu yüzden açık hava basıncı çoğu zaman cıva sütununun yüksekliğiyle verilir: deniz seviyesinde 76 cmHg. Açık hava basıncını ölçen araçlara barometre denir.

Borunun eğilmesi ya da kalınlığı sütunun düşey yüksekliğini değiştirmez; sıvı basıncında olduğu gibi yalnız düşey yükseklik önemlidir. Cıva yerine su kullanılsaydı, su cıvadan çok daha az yoğun olduğu için sütunun yaklaşık 10 m yükselmesi gerekirdi; bu yüzden barometrelerde cıva tercih edilmiştir.

Yükseklikle değişim

Yükseklere çıkıldıkça üstte kalan hava sütunu kısalır ve hava seyrekleşir; açık hava basıncı azalır. Bunun gündelik sonuçları vardır. Yaylada su daha düşük bir sıcaklıkta kaynamaya başlar; kaynayan su daha az sıcak olduğu için yemekler uzun sürede pişer. Kapalı paketler ve şişirilmiş balonlar, dışarıdaki basınç azaldığı için şişer. Uçağın kalkışında ve inişinde basınç hızla değiştiği için kulak zarının iki yanındaki basınçlar bir süre eşitlenemez ve kulak tıkanır; yutkunmak ya da esnemek bu farkı gidermeye yardım eder. Dağcılar yükseklerde nefes almakta zorlanır; çünkü seyrek havada her nefeste akciğerlere daha az oksijen girer.

Basınç ve hava durumu

Açık hava basıncı yalnız yükseklikle değil, havanın durumuyla da değişir. Meteoroloji istasyonları basıncı sürekli ölçer. Bir bölgede basıncın düşmesi çoğu zaman bulutlu, yağışlı ya da rüzgârlı havanın yaklaştığına işaret eder; yüksek basınç ise genellikle açık ve sakin havayla birlikte görülür. Hava, yüksek basınçlı bölgelerden alçak basınçlı bölgelere doğru akar; rüzgârın temel nedeni bu basınç farklarıdır.

Açık hava basıncı iş başında

• Pipet: Pipetle içerken ağzımızdaki havayı çekerek oradaki basıncı düşürürüz. Bardaktaki sıvının yüzeyine bastıran açık hava basıncı, sıvıyı pipetin içinden yukarı iter.
• Vantuz: Vantuz bir yüzeye bastırılınca altındaki havanın çoğu çıkar. Dışarıdaki açık hava basıncı vantuzu yüzeye bastırır.
• Şırınga: Pistonu geri çekmek şırınganın içindeki basıncı düşürür; dışarıdaki basınç sıvıyı şırıngaya iter.
• Vakumlu ambalaj: İçindeki havası alınmış paket, dışarıdaki basınçla sıkıştırılır ve sertleşir.

1650'lerde Otto von Guericke, iki metal yarım küreyi birleştirip içindeki havayı boşaltmış ve dışarıdaki hava basıncının iki yarım küreyi o kadar güçlü bastırdığını göstermiştir ki atlarla bile ayırmak çok zor olmuştur. Bu gösteri Magdeburg yarım küreleri olarak bilinir.

Kapalı kaptaki gaz basıncı

Kapalı bir kaptaki gazın tanecikleri sürekli hareket ederek kabın çeperlerine çarpar. Bu çarpmaların birim alana uyguladığı ortalama kuvvet, gaz basıncını oluşturur. Gaz basıncı üç etkene bağlıdır:

• Tanecik sayısı: Aynı kaba daha çok gaz pompalanırsa çarpma sayısı ve basınç artar. Bir bisiklet lastiği şişirildikçe sertleşir.
• Sıcaklık: Isınan gazın tanecikleri hızlanır; çeperlere hem daha sık hem daha sert vurur; hacmi değişmeyen bir kapta basınç artar. Bu yüzden basınçlı kaplar ateşe atılmamalıdır.
• Hacim: Sıcaklık sabitken gazın hacmi küçültülürse tanecikler daha sık çarpar ve basınç artar. Bu durumda basınç ile hacmin çarpımı sabit kalır: P₁ · V₁ = P₂ · V₂. Bu ilişki Boyle yasası olarak bilinir. Ucu kapatılmış bir şırınganın pistonuna bastırdıkça direnç artmasının nedeni budur.

Manometre ve sıvıda toplam basınç

Kapalı bir kaptaki gazın basıncı manometre ile ölçülür. Açık uçlu bir U borusunun bir kolu gaz kabına bağlanır, öteki kolu açık havaya açıktır. Gaz basıncı açık hava basıncından büyükse sıvı gaz tarafında alçalır, açık tarafta yükselir; aradaki yükseklik farkı h ise P_gaz = P₀ + h · d · g olur. Gaz basıncı açık hava basıncından küçükse sıvı gaz tarafında yükselir ve P_gaz = P₀ − h · d · g olur. Cıvalı manometrelerde basınçlar doğrudan cmHg ile yazılabilir.

Açık bir kaptaki sıvının içinde bir noktadaki toplam basınç, sıvı basıncı ile sıvı yüzeyine bastıran açık hava basıncının toplamıdır: P = P₀ + h · d · g.

Örnek 1 — Torricelli

Soru: Torricelli deneyinde deniz seviyesinde cıva sütunu kaç cm yükseklikte durur?

• A) 100
• B) 10
• C) 76
• D) 38
• E) 1000

Çözüm: Deniz seviyesinde açık hava basıncı yaklaşık 76 cm cıva sütununu dengeler. Cevap: C.

Örnek 2 — Toplam basınç

Soru: Açık hava basıncının 100 000 Pa olduğu bir yerde, bir gölün 8 m derinliğindeki toplam basınç nedir? Yoğunluğu 1000 kg/m³ olan su ve 10 N/kg'lik yerçekimi alanı varsayılsın.

• A) 80 000 Pa
• B) 108 000 Pa
• C) 100 000 Pa
• D) 800 000 Pa
• E) 180 000 Pa

Çözüm: Sıvı basıncı 80 000 Pa'dır; açık hava basıncıyla toplam 180 000 Pa olur. Cevap: E.

Örnek 3 — Boyle

Soru: Sıcaklığı sabit tutulan 4 L'lik bir gazın basıncı 2 atm'dir. Hacim 8 L'ye çıkarılırsa basınç kaç atm olur?

• A) 1
• B) 4
• C) 2
• D) 8
• E) 0,5

Çözüm: P₁V₁ = P₂V₂ eşitliğinden 2 · 4 = P₂ · 8, P₂ = 1 atm. Cevap: A.

Örnek 4 — Manometre

Soru: Cıvalı açık bir manometrede gaz tarafındaki cıva, açık taraftakinden 12 cm aşağıdadır. Açık hava basıncı 76 cmHg ise gaz basıncı kaç cmHg'dir?

• A) 64
• B) 76
• C) 12
• D) 88
• E) 152

Çözüm: Gaz cıvayı itip alçaltmıştır; P = 76 + 12 = 88 cmHg. Cevap: D.

• Pipette sıvıyı ağzın çektiğini sanmak. Sıvıyı açık hava basıncı iter; ağız yalnız basıncı düşürür.
• Torricelli sütununu boru biçimine bağlamak. Yalnız düşey yükseklik önemlidir.
• Sıvıda toplam basınçta açık havayı unutmak. Açık kapta P = P₀ + h · d · g'dir.
• Manometrede işareti ters almak. Gaz tarafı alçaksa gaz basıncı büyüktür.
• Boyle yasasını sıcaklık değişirken uygulamak. P · V sabitliği sabit sıcaklıkta geçerlidir.