9. Sınıf Açık Hava Basıncı — Konu Anlatımı

Dağ Yolunda Şişen Cips Paketi

Deniz kenarındaki bir marketten aldığınız cips paketini arabada unuttunuz ve 2000 m yükseklikteki bir yaylaya çıktınız. Paket balon gibi şişmiş. Yayladan dönerken ağzını kapattığınız boş pet şişe ise sahile inince buruşuyor.

Paketin içindeki hava fabrikada, deniz seviyesine yakın bir basınçta kapatıldı. Yukarı çıktıkça dışarıdaki hava basıncı azaldı; içerideki hava paketi dışarı doğru daha güçlü itmeye başladı. Şişede tersi oldu: yaylada kapatılan düşük basınçlı hava, sahildeki yüksek dış basınca yenildi.

Bu basıncın kaynağı üstümüzdeki hava sütununun ağırlığıdır. Hava taneciklerinin kütlesi var ve Dünya onları çekiyor. Yükseğe çıktıkça üstte kalan hava hem azalır hem seyrelir.

Havanın Ağırlığı Ne Kadar?

Deniz seviyesinde açık hava basıncı yaklaşık $101\,300$ Pa, yani 1 atmosferdir. 1 cm² yüzeye düşen kuvveti hesaplayalım ($1\ \text{cm}^2 = 10^{-4}\ \text{m}^2$):

$F = P \cdot A = 101\,300 \cdot 10^{-4} \approx 10\ \text{N}$

Her santimetrekareye yaklaşık 1 kg'lık bir kütlenin ağırlığı biniyor. Yaklaşık 100 cm²'lik avuç içinize 1000 N civarında kuvvet etki ediyor. Neden hissetmiyoruz? Basınç akışkanlarda her yönden etki eder ve vücudumuzun içindeki sıvıların basıncı dış basınçla dengededir. Dengelenmiş bir basınç hissedilmez; yalnız farkı hissederiz. Uçak alçalırken kulağımızın tıkanması, orta kulaktaki basıncın dış basınçtan kısa bir süre geri kalmasıdır.

Torricelli Borusunu Sayılarla Kurmak

Bir ucu kapalı, 1 m'lik cam boru cıvayla doldurulup cıva dolu bir kaba ters çevrilir. Cıva bir miktar iner ve kap yüzeyinden 76 cm yukarıda durur (deniz seviyesi, 0 °C). Borunun tepesinde hava yoktur; o sütunu tutan tek şey kaptaki cıva yüzeyine basan dış havadır. Sütunun tabanındaki sıvı basıncı açık hava basıncına eşittir:

$P = h \cdot d \cdot g = 0{,}76 \cdot 13\,600 \cdot 9{,}8 \approx 101\,300\ \text{Pa}$

Aynı deneyi suyla yapsaydık sütun ne kadar olurdu?

$h = \dfrac{P}{d \cdot g} = \dfrac{101\,300}{1000 \cdot 9{,}8} \approx 10{,}3\ \text{m}$

Üç katlı bir binanın yüksekliği. Cıva sudan 13,6 kat yoğun olduğu için sütun 13,6 kat kısa kalır; deneyin masaya sığmasının nedeni budur.

İki soru sık gelir. Boru daha kalın olsaydı? Sıvı basıncı kesit alanına bağlı değildir; yükseklik yine 76 cm. Boru eğik tutulsaydı? Borudaki cıva daha uzun bir yol kaplar ama düşey yükseklik yine 76 cm'dir.

Yükseldikçe Basınç ve Kaynama

Basınç-yükseklik grafiği düz bir doğru değil, giderek yatıklaşan bir eğridir. Deniz seviyesine yakın ilk birkaç yüz metrede her 100 m'de yaklaşık 1 cmHg azalır. Yaklaşık 5500 m'de basınç yarıya (38 cmHg), Everest'in zirvesinde yaklaşık üçte birine iner.

Çözümlü örnek: Bir dağın zirvesinde barometre 57 cmHg gösteriyor. Zirvedeki basınç deniz seviyesindekinin kaçta kaçıdır?

$\dfrac{57}{76} = \dfrac{3}{4}$

Zirvede her nefeste akciğere giren hava da yaklaşık dörtte bir az yoğundur.

Basınç kaynamayı da değiştirir. Su, buharının basıncı dış basınca eşit olduğunda kaynar. Dış basınç düşünce bu eşitliğe daha düşük sıcaklıkta ulaşılır: 2000 m'de su yaklaşık 93 °C'de, Everest'te 70 °C civarında kaynar. Makarna bu yüzden yaylada geç pişer; su kaynıyor ama yeterince sıcak değil. Düdüklü tencere tersini yapar: içerideki basıncı yaklaşık 2 atmosfere çıkarır, su 120 °C civarına kadar kaynamadan ısınır ve yemek hızlanır.

Çeken Yok, İten Var

Pipetle içerken sıvıyı ne yukarı çıkarır? Ağzınızdaki basıncı düşürürsünüz; bardaktaki sıvı yüzeyine basan dış hava sıvıyı pipetten yukarı iter. Şırıngada da aynıdır: piston geri çekilince iç hacim büyür, basınç düşer, dış basınç sıvıyı içeri doldurur.

• Vantuz: içerideki hava sıkılarak çıkarılır; dış hava vantuzu yüzeye bastırır.
• Ezilen teneke: içinde su kaynatılıp ağzı kapatılan teneke soğuyunca buhar yoğunlaşır, iç basınç düşer ve dış hava kutuyu ezer.
• Hava tahmini: alçak basınç alanında hava yükselir, soğur, bulut oluşur; yüksek basınçta hava alçalır ve gökyüzü açık olur.

Açık hava basıncını barometre ölçer. Kapalı bir kaptaki gazın basıncını ölçen alet ise manometredir; ikisi sık karıştırılır.

Sık Yapılan Hata

• "Pipet sıvıyı emer." Emme diye bir kuvvet yoktur; sıvıyı iten dış hava basıncıdır. Havası alınmış bir odada pipetle içmek mümkün olmazdı.
• "Yükseklerde su geç kaynar." Tersine, daha düşük sıcaklıkta ve daha erken kaynar; geç olan pişmedir.
• "Kalın boruda cıva daha alçakta durur." Sütun yüksekliği boru kesitine bağlı değildir.
• "Basınç yalnız yukarıdan aşağı etki eder." Ağzı kâğıtla kapatılmış dolu bardak ters çevrildiğinde su dökülmez; hava kâğıdı aşağıdan yukarı iter.

Sınav ipucu: Soruda "derin bir maden" geçiyorsa basınç deniz seviyesinden büyüktür; "zirve" geçiyorsa küçüktür. Torricelli sorusunda borunun şekline değil düşey yüksekliğe bakın.

Sık sorulanlar