托里切利與大氣壓力

文/怪醫鳥博士 |2021.10.13
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「咦,奇怪了,為什麼不管怎麼壓抽水機,水都抽不上三層樓高?」 「就算用最新設計的抽水機,還是一樣啊?」 16世紀時,手動抽水機已被普遍應用在挖礦、抽地下水等事務,但有人發現若是井超過10公尺深,就沒法一次抽上來,於是拜託當時年事已高的伽利略,希望解開這個謎。圖/怪醫鳥博士

文/怪醫鳥博士

「咦,奇怪了,為什麼不管怎麼壓抽水機,水都抽不上三層樓高?」

「就算用最新設計的抽水機,還是一樣啊?」

16世紀時,手動抽水機已被普遍應用在挖礦、抽地下水等事務,但有人發現若是井超過10公尺深,就沒法一次抽上來,於是拜託當時年事已高的伽利略,希望解開這個謎。

托里切利(Evangelista Torricelli),一位年輕的優秀義大利科學家,在伽利略生命的最後幾個月,被邀請來當伽利略的研究助理。

最重液體 測出壓力



當時社會受亞里斯多德的「大自然厭惡真空」理論影響,普遍認為抽水機是因為活塞的作用,上方製造了「真空」,下方的水立即補上,所以能抽水。

伽利略和托里切利討論之後,得到一個想法:「那難道10公尺以上就允許有真空了?這顯然不合理,會不會其實是空氣有重量?若是水井太高的話,空氣沒那麼重,就壓不上來。」「既然空氣重量只能把水壓最高10公尺,那如果重一點的液體會怎樣?」

托里切利用玻璃管裝了幾種比水重的液體,但發現管中的液體並沒有變化。「啊,是不是不夠重?那只好用最重的試試看了!」

於是密度13.6g/cc的水銀登場!只見管中水銀下降,一直降到高度76公分處,就停住了!托里切利再試驗了好幾次,都是一樣結果。「原來空氣重量就只能撐住76公分高的水銀,所以空氣對水銀液面的壓力,相等於水銀柱垂直高度的壓力!」

「76公分乘以13.6是1033.6公分,換句話說,水無法抽到10公尺34公分以上!」就這樣,托里切利用一個非常簡單的實驗,證明了大氣壓力的存在!

天氣影響 晴升陰降



而水銀從倒置的玻璃管頂端往下流,在玻璃管頂端出現一個空間,裡面沒有空氣的存在,原來不是大自然厭惡真空,而是地球上到處充滿空氣。這一段真空的存在,證明了一千多年來亞里斯多德的錯誤,後人稱為「托里切利真空」!

後人進一步發現水銀柱會隨天氣變化而改變,晴天升陰天降,顯示了氣壓的變化,所以托里切利所發明的這個裝置又被稱為「氣壓計」。

現在的氣壓單位之一,1Torr(托)=1mmHg,這個Torr就是為了紀念托里切利的偉大發現。

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