Açık Hava Basıncı: Oluşumu, Ölçülmesi ve Yükseklikle Değişimi

Açık hava basıncının oluşumu

Açık hava basıncı, atmosferi oluşturan havanın ağırlığının yeryüzündeki yüzeylere uyguladığı basınçtır. Basınç, birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvettir (P = F/A). Atmosferdeki hava gazlardan oluşsa da gaz taneciklerinin toplam ağırlığı vardır; yer çekimi bu havayı Dünya’ya doğru çeker.

Yeryüzündeki bir yüzeyin üzerinde bulunan hava sütunu, ağırlığıyla o yüzeye kuvvet uygular. Yüzey alanına düşen kuvvet arttıkça basınç da artar. Bu nedenle açık hava basıncı, yalnızca havanın varlığından değil, havanın ağırlığından ve bu ağırlığın yüzeye dağılmasından kaynaklanır. Atmosfer basıncı da bir gaz basıncıdır: gaz tanecikleri temas ettikleri yüzeylere sürekli çarparak kuvvet uygular. Kapalı bir kaptaki gazın basıncı da bu çarpmalardan doğar; diğer etkenler sabitken gazın miktarı ya da sıcaklığı arttıkça veya hacmi azaldıkça bu basınç artar. Açık havada ise basıncın büyüklüğünü, yüzeyin üzerindeki hava sütununun ağırlığı belirler.

Örneğin masanın üzerinde duran kap, üstündeki atmosferin ağırlığından kaynaklanan bir basınca maruz kalır. İnsan vücudu da atmosfer basıncına maruz kalır; ancak vücudun içindeki sıvı ve gazların basınçları dış basınçla dengelendiği için normal koşullarda bu basıncı ayrı bir kuvvet gibi hissetmeyiz. Bir lastik basınç göstergesinin atmosfer basıncında sıfır göstermesi de göstergenin çoğu zaman atmosfer basıncını değil, atmosferden ne kadar fazla veya eksik basınç olduğunu ölçmesiyle açıklanır.

Açık hava basıncının yönü ve etkileri

Açık hava basıncı bir yüzeye yalnızca yukarıdan veya aşağıdan uygulanmaz; hava, temas ettiği yüzeylere her yönde basınç uygular. Durgun bir akışkanda basınç, yüzeyin yönünden bağımsız olarak yüzeye dik etki eder. Bir cismin farklı taraflarında atmosfer basıncı aynı olduğunda bu basınçların bileşkesi sıfıra yakın olur ve cisim belirgin bir hareket kazanmaz.

Basınçlar eşit olmadığında ise net kuvvet oluşabilir. Örneğin bir cismin iki tarafındaki basınçlardan biri daha büyükse cisim büyük basınçtan küçük basınca doğru itilir. Lastiğin iç basıncı atmosfer basıncından büyük olduğunda lastik şişkin kalabilir; göstergenin okuduğu değer de bu farkı, yani gösterge basıncını ifade eder. Pipetle su içerken ağız içindeki hava basıncı azaltılır; bardaktaki suyun yüzeyine etki eden açık hava basıncı daha büyük kaldığı için su pipette yükselir. Vantuzun yüzeye yapışması da aynı nedenledir: vantuzun altındaki hava dışarı itildiğinde dışarıdaki açık hava basıncı onu yüzeye bastırır. Tansiyon ölçümünde okunan değer ise damar basıncı ile atmosfer basıncı arasındaki fark, yani gösterge basıncıdır.

Barometre ile açık hava basıncının ölçülmesi

Barometre, açık hava basıncını ölçen araçtır. Cıvalı barometrede bir ucu kapalı, cıva ile doldurulmuş uzun bir tüp ters çevrilerek cıva haznesine yerleştirilir. Tüpün üst kısmında, ideal durumda, cıvanın üzerinde hava bulunmadığı için basınç çok küçüktür. Dış atmosfer, haznedeki cıva yüzeyine bastırır ve cıvayı tüp içinde belirli bir yüksekliğe kadar yükseltir. Cıva sütununun ağırlığının oluşturduğu basınç atmosfer basıncına eşit olduğunda denge sağlanır. Bu düzenek, deneyi ilk yapan bilim insanının adıyla Torricelli deneyi olarak bilinir ve denge koşulu P₀ = h·d_cıva·g biçiminde yazılır. Cıva sütununun düşey yüksekliği borunun kesit alanına ve borunun eğik tutulup tutulmamasına bağlı değildir; yalnızca açık hava basıncına ve kullanılan sıvının özkütlesine bağlıdır. Cıva yerine su kullanılsaydı, suyun özkütlesi cıvanınkinin yaklaşık 13,6'da biri olduğu için sütun yaklaşık 10,3 m olurdu.

Bu düzende ölçüm, cıva sütununun yüksekliği okunarak yapılır. Atmosfer basıncı arttığında cıva sütununu daha yükseğe taşıyabilecek daha büyük bir etki oluşur; basınç azaldığında sütun yüksekliği düşer. Böylece barometre, atmosfer basıncını doğrudan bir kuvvet göstergesiyle değil, basıncın desteklediği cıva yüksekliğiyle gösterir.

Örneğin bir barometrede cıva yüksekliği 760 mm okunuyorsa bu değer, cıva sütununun atmosfer basıncıyla dengede olduğunu gösterir. Barometreler hava durumundaki basınç değişimlerini izlemekte de kullanılabilir. Basınç değeri yükseltiyle değiştiği için uygun biçimde kullanılan bir barometre, yükseklik ölçen bir araç gibi de değerlendirilebilir.

76 cm cıva ve standart açık hava basıncı

Deniz seviyesine yakın koşullarda standart açık hava basıncı, cıvalı barometrede 76 cm cıva sütununun yüksekliğiyle ifade edilir. Aynı değer 760 mmHg olarak da yazılır. Buradaki mmHg ve cmHg ifadeleri, basıncın cıva sütununun yüksekliğiyle belirtilen birimlerini gösterir; sayı doğrudan uzunluk ölçümü gibi değil, belirli bir basınca karşılık gelen ölçüm olarak yorumlanır.

Standart atmosfer basıncı yaklaşık 1 atm, 101,3 kPa veya 1,013 × 10⁵ Pa değerindedir. Bu eşitlikler, aynı basıncın farklı birimlerle yazılmış biçimleridir. Bir soruda barometre yüksekliği 76 cm’den küçükse, koşulların standart değere göre daha düşük basınca; 76 cm’den büyükse daha yüksek basınca işaret ettiği anlaşılır. Ölçümün yapıldığı yükseklik ve atmosfer koşulları dikkate alınmalıdır.

Yükseklik arttıkça açık hava basıncının değişimi

Yerden yükseldikçe açık hava basıncı azalır. Bunun temel nedeni, daha yüksek bir noktadaki gözlemcinin üzerinde bulunan hava sütununun kısalması ve bu hava sütunundaki toplam hava miktarının azalmasıdır. Üstümüzde daha az hava bulunduğunda yüzeye uygulanan toplam ağırlık azalır; buna bağlı olarak atmosfer basıncı da düşer.

Bu değişim, atmosferin her yerinde aynı basınç bulunmadığını gösterir. Deniz seviyesine yakın bir noktada üzerimizde daha fazla hava olduğu için basınç dağlık bir bölgedekinden büyüktür. Yükseklik arttıkça basınç düşerken, cıvalı barometrede cıva sütununun yüksekliği de azalır. Bu yüzden barometre, basınç ölçmesinin yanında uygun bir kalibrasyonla yükseklik hakkında bilgi verebilir.

Somut olarak bir dağın yamacından zirvesine çıkıldığında barometrede okunan cıva yüksekliği aşağı doğru değişir; çünkü zirvede barometrenin üzerindeki hava sütunu daha azdır. Basınçlandırılmış uçaklarda ise kulağın karşılaştığı basınç kabin basıncıdır; kalkış ve inişte kabin basıncı değiştiği için kulaklarda basınç farkı hissedilir. Orta kulağı genze bağlayan Östaki borusu, kulak zarının iki yanındaki basıncın dengelenmesine yardımcı olur.

Açık hava basıncının birimleri ve temel dönüşümleri

Açık hava basıncı SI birimi olan paskal (Pa) ile ölçülür. Bir paskal, bir metrekarelik yüzeye bir newtonluk dik kuvvet uygulanmasına karşılık gelir: 1 Pa = 1 N/m². Günlük ve fiziksel ölçümlerde atmosfer (atm), kilopaskal (kPa), milimetre cıva (mmHg) ve santimetre cıva (cmHg) birimleri de kullanılır.

Standart açık hava basıncı için temel dönüşümler şöyledir: 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg ≈ 101,3 kPa = 1,013 × 10⁵ Pa. Kilopaskal ile paskal arasındaki dönüşümde 1 kPa = 1000 Pa alınır. Barometrede cıva yüksekliği verilmişse mmHg veya cmHg birimiyle değerlendirme yapılabilir; kuvvet ve yüzey alanı üzerinden hesaplama istenirse sonuç Pa cinsinden yazılır.

Bir basınç göstergesinin sıfırı her zaman mutlak basıncın sıfırı anlamına gelmez. Atmosfer basıncını referans alan göstergelerde sıfır, sistem basıncının atmosfer basıncına eşit olduğunu anlatır. Bu nedenle atmosfer basıncıyla ilişkili bir ölçüm yorumlanırken verilen değerin mutlak basınç mı yoksa atmosfer basıncına göre fark basıncı mı olduğu kontrol edilmelidir. Kapalı bir kaptaki gazın basıncı manometreyle ölçülür. Açık uçlu manometrede U borusundaki sıvının iki kolu arasındaki h yükseklik farkı, gaz basıncı ile açık hava basıncı arasındaki farkı gösterir: sıvı gaz tarafındaki kolda daha alçaksa P_gaz = P₀ + h·d·g, daha yüksekse P_gaz = P₀ − h·d·g olur.