2.2 - Tekanan Atmosfera

Asal dan Perubahan Tekanan

Tekanan atmosfera disebabkan oleh berat lapisan udara yang bertindak pada permukaan bumi dan objek dalam atmosfera.
Tekanan berubah mengikut cuaca dan berkurang pada altitud lebih tinggi, apabila udara semakin tipis.

Barometer merkuri menggunakan tiub kaca kira-kira $1 m$ panjang, yang pada awalnya diisi penuh dengan merkuri dan diterbalikkan ke dalam mangkuk berisi merkuri.
Merkuri turun sehingga ketinggian tetap, meninggalkan vakum di atas turus. Tekanan atmosfera pada permukaan merkuri dalam mangkuk menyokong turus tersebut.
Ketinggian menegak turus $h$ mengukur tekanan atmosfera:

P_{atm} = h ρ g

Bagi $h = 760 mm = 0.76 m$ , ketumpatan merkuri $ρ = 1.36 \times 1 0^{4} kg m^{- 3}$ dan $g = 9.81 m s^{- 2}$ :

P_{atm} = 0.76 (1.36 \times 1 0^{4}) (9.81) = 101 396.16 Pa \approx 101396 Pa

Bacaan ini juga boleh dinyatakan sebagai $760 mm Hg$ . Torricelli menunjukkan turus merkuri disokong oleh tekanan atmosfera pada tahun 1643.

Barometer Fortin	Barometer Aneroid
Menggunakan perubahan ketinggian turus merkuri	Menggunakan perubahan isi padu kotak logam separa vakum
Hampir satu meter tinggi; besar dan sukar dibawa	Kecil dan mudah alih
Mengambil masa lebih lama untuk memperoleh bacaan	Memberikan bacaan langsung dengan cepat
Kejituan sehingga $\pm 0.1 mm Hg$	Kejituan sehingga $\pm 1 mm Hg$
Digunakan di pusat kaji cuaca	Sesuai untuk rumah, kapal dan pesawat udara

Dalam barometer Aneroid, sistem mekanikal menggandakan perubahan kecil isi padu kotak logam untuk menggerakkan penunjuk.

Unit	Kegunaan atau hubungan
Pa	Unit SI dalam sains; tukar tekanan kepada Pa sebelum menggantikan nilai dalam rumus SI
mm Hg	Perubatan, meteorologi, penerbangan dan sains; bacaan tekanan darah seperti 120/80 menggunakan unit ini
m H $_{2}$ O	Tekanan air dalam laut, takungan dan empangan
milibar (mbar)	Meteorologi; $1 mbar = 1 hPa$

Empangan Bakun: Tekanan air ialah $150 m H_{2} O$ .
Tukar tekanan turus cecair kepada Pa menggunakan $P = h ρ g$ , dengan $h$ dalam meter. Tukar Pa kepada ketinggian turus menggunakan $h = P / (ρ g)$ .
Contoh tekanan darah: Dengan $ρ_{Hg} = 1.36 \times 1 0^{4} kg m^{- 3}$ dan $g = 9.81 m s^{- 2}$ :

160 mm Hg \Rightarrow P = 0.16 (1.36 \times 1 0^{4}) (9.81) = 2.13 \times 1 0^{4} Pa

Contoh tembok di tepi laut: Bagi $P = 3.6 \times 1 0^{5} Pa$ dan $ρ_{air} = 1.00 \times 1 0^{3} kg m^{- 3}$ :

h = \frac{3.6 \times 1 0 ^{5}}{( 1.00 \times 1 0 ^{3} ) ( 9.81 )} = 36.7 m

Maka tekanannya ialah $36.7 m H_{2} O$ . Tekanan atmosfera kira-kira $1013 mbar$ ; di puncak Gunung Kinabalu, nilainya kira-kira $60000 Pa$ .

Pada altitud tinggi, penyerapan oksigen dalam paru-paru berkurang. Kesannya termasuk kadar pernafasan meningkat, kadar metabolisme meningkat, hilang selera makan, dehidrasi dan fikiran menjadi tidak jelas.
Pendaki gunung: Buat persediaan dan latihan fizikal, bawa peralatan untuk memantau altitud, tekanan darah dan suhu badan, mendaki perlahan untuk menyesuaikan diri dengan perubahan tekanan, dan minum air bagi mengelakkan dehidrasi.
Kapal terbang: Tinggikan tekanan kabin sehingga hampir sama dengan tekanan aras laut, edarkan udara segar dengan aras oksigen mencukupi, dan pastikan pengambilan air semasa penerbangan jauh.
Tekanan atmosfera di puncak Gunung Kinabalu kira-kira 60% daripada tekanan aras laut; pada aras penerbangan pesawat komersial, nilainya kira-kira satu perempat.
Angkasa lepas: Tekanan hampir sifar. Kapal angkasa memerlukan peningkatan tekanan kabin dan penjana oksigen; angkasawan di luar kabin memerlukan sut tekanan untuk mengimbangi tekanan dalam badan.

Tekanan air bertambah dengan kedalaman. Setiap tambahan $10 m$ menambah tekanan air kira-kira satu atmosfera. Tekanan sebenar turut merangkumi tekanan atmosfera.
Penyelam pada kedalaman $30 m$ mengalami kira-kira empat kali tekanan atmosfera biasa; kapal selam pada $240 m$ mengalami kira-kira 25 kali tekanan permukaan.
Kesan: Tisu badan menyerap nitrogen berlebihan; nitrogen melarut dalam darah; fikiran menjadi tidak jelas. Pengurangan tekanan terlalu cepat boleh membentuk gelembung nitrogen dalam tisu atau salur darah.
Penyelam: Berlatih untuk persekitaran tekanan tinggi, pakai sut penyelam bagi melambatkan kehilangan haba dan naik perlahan bagi mengelakkan pembentukan gelembung nitrogen.
Kapal selam: Gunakan badan keluli atau titanium dengan keratan rentas membulat untuk menahan tekanan sekeliling. Kekalkan tekanan kabin hampir sama dengan tekanan aras laut dan bekalkan oksigen melalui tangki atau penjana elektrolisis.