103年3月6日擎天水柱～大氣壓力

適合對象：國小以上學生﹑一般民眾            主要概念：大氣壓力﹑液體壓力 主要技術：水管裝水趕空氣﹑活動場地環境安排﹑真空的性質 設備材料與裝置整備： 這項實驗裝置十分簡單容易﹐材料便宜來源方便﹐理化老師在學校帶學生做實驗﹐小朋友在家和爸爸一起來都可以DIY。裝置包括一條11公尺長的軟尺垂吊標示高度，一座裝八分滿水的水槽(電視紙箱大小之塑膠透明整理盒)，水面下置一塑膠水管車輪架，水管車上捲有一以虹吸注滿水之28公尺長PU硬管(5mmX8mm)，水管兩端口以繩子固定在輪架上﹐水管順著輪架捲在水管車上(當拉動時確保不會打結)。 操作過程： 請您牽著繩子沿樓梯往上走(一般三層樓以上建築物的樓梯間)，沿途觀察手中管內水柱的高度變化，水管沿樓梯慢慢升起﹐水管內水柱也隨之升起﹐超過9公尺後即將看到水柱拒絕上升﹐然後繼續升到約12公尺處將繩子，固定於指示處﹐樓下必須有人注意不讓水管跑出水面上。此時水管內上端並非為完全的托里切利真空，而為非常稀薄空氣與水蒸氣存在的氣柱﹐請注意觀察管內不同高度處水中的氣泡﹐高度的增加數量愈多。氣泡主要有兩個來源﹔沸點隨壓力下降而降低﹐水管高處水沸點降低很多﹐導致變成水蒸氣溢出﹐另原溶於水中的氣體釋出也造成氣泡。 注意安全： 樓高應注意下摔﹑中物落下打到人等防護措施。 弄濕地面防止摔倒的防護措施。 備        忘： 水槽，塑膠水管輪架(各約300元)一般量販店可買到。透明PU硬管(20元/公尺) 五金行可買到 原        理： 著名實驗物理學家伽利略發現抽水只能達到33英尺﹐因而懷疑古哲學家亞里士多德的主張「自然界不喜歡真空」。於是交代他的學生托里切利著手研究。1643年托里切利進行了著名的「托里切利試驗」，取一根高度大於76厘米的管子灌滿水銀後，倒插在水銀槽裡，這時管內水銀柱下降至76厘米，而在水銀柱上部形成真空(為了紀念它人們把它稱為托里切利真空)。這個試驗結果證實了大氣壓力的存在﹐76公分的水銀柱相當於可支撐高1033.6公分的水柱﹐而常用的氣壓單位也有數種: 1 atm=76cm-Hg=1033.6cm-H2O=1013mb(毫巴)(報氣象常用) 根據以上分析﹐實際以水柱進行托里切利實驗﹐會因為地點不同(不同g值)﹐及當時的天氣狀況而定(陰天氣壓低、溫度影響d值)﹐而導致未必如預期之10公尺高。除此之外還有兩個先天因素 水中溶有空氣﹐當水柱中因所受壓力比原所受大氣壓力小，導致水中的空氣釋出(水的空氣溶解度隨壓力變小而降低)。 水柱上空水的沸點隨壓力下降而降低﹐水會非常容易變成水蒸氣管跑出液面﹐直到達到飽和蒸氣壓。 這兩個因素會讓水柱各下降約30cm左右﹐所以水柱上端並非為托里切利真空，而是有氣壓之氣柱。 水柱中上升的氣泡由水蒸氣和釋出的空氣組成。氣泡上升的過程中，會因壓力減小而體積愈大(波以耳定律：PV=常數)，另外氣體溶解度隨壓力減小而降低，致原溶於水中的空氣開始釋出，且水柱愈高處愈劇烈。 相關資源： 根據文獻我們可以知到氮和氧在室溫中一個大氣壓下溶解於蒸餾水的溶解度在10-15 mg/liter左右﹐隨氣壓降低或室溫升高溶解度會變小。在高雄市陽明國中科展作品中實驗結果﹐水管中跑出來的溶解氣體有10-20公分水柱高(分別使用事先未經煮沸趕溶解氣體過程處理的水﹐及事先經過處理的水實驗就可以獲得經驗數值)。進一步結果顯示﹔口徑越大逸出溶解氣體越多水柱越低﹐水柱高度確實與傾斜無關﹐浸泡熱水會見低溫沸騰﹐浸泡冰水會見氣泡回流。 表：不同氣壓下的飽和蒸氣壓表： 水的飽和蒸氣壓 溫度 壓力 溫度 壓力 0C atm torr 0C atm torr 0 0.0060 4.6 55 0.155 118.0 1 0.0065 4.9 60 0.197 149.4 5 0.0086 6.5 65 0.247 187.5 10 0.121 9.2 70 0.308 233.7 15 0.0168 12.8 75 0.380 289.1 20 0.0231 17.5 80 0.467 355.1 25 0.0313 23.8 85 0.571 433.6 30 0.0419 31.8 90 0.692 525.8 35 0.0555 42.2 95 0.834 633.9 40 0.0728 55.3 100 1.000 760.0 45 0.0946 71.9 105 1.192 906.1 50 0.122 92.5 　 　 　 參考文獻： Water Barometer〞。The Physics Teacher V.31,Feb.1993。 〝最新大學化學。陳國成譯〞。大中國圖書。 〝Physics﹔Calculus〞﹐ Eugene Hecht﹐Chap. 12&13﹐P445﹐Brooks/Cole Ca﹐1996。 〝水柱擎天:托里切利式水氣壓計〞 高雄市第38屆中小學科學展覽會﹐陽明國中﹐1997。 〝The Amateur Scientist:make a barometer that works with water in place of mercury〞﹐Jearl Walker﹐P114-119﹐Apirl﹐Scientifical American﹐1987。 注意安全：水滑小心摔倒