Açık Hava Basıncı
Atmosfer, hayatı etkileyen birçok özelliğe sahiptir. Bu özelliklerden biri de yükseklikle değişen hava yoğunluğudur: rakım düştükçe havanın yoğunluğu artar, yükseldikçe azalır. Bu durumun insan vücudu üzerinde etkileri vardır; örneğin dağcılık sporuyla uğraşanlar yüksek dağların zirvesine yaklaştıkça kulaklarında tıkanma hisseder, daha zor nefes alıp verir ve burun kanaması gibi sağlık sorunları yaşayabilir. Dağcılar bu durumlarla karşılaşmamak için vücutlarının yüksekliğe alışmasına fırsat verecek bir tırmanma programı takip etmelidir; bu süreç, dağın yüksekliğine göre birkaç gün veya hafta sürebilir.
Sıvılar ve Gazların Farkı
Sıvıların molekülleri arasındaki boşluk gazlara göre daha azdır; bu nedenle sıvılar daha büyük yoğunluğa sahiptir ve birim hacimde daha fazla molekül bulunur. Gazlar ise moleküllerinin arasındaki büyük mesafe ve zayıf çekim kuvvetleri nedeniyle daha düşük yoğunluğa sahiptir. Gazların belirli bir hacmi ve şekli yoktur; bulundukları kabı tamamen doldururlar. Gazlar sıkıştırılabilirken sıvıların sıkıştırılabilirliği çok düşüktür; bu nedenle sıvılar sıkıştırılamaz kabul edilir.
Açık Hava Basıncının Tanımı
Atmosfer; azot, oksijen ve diğer gazlardan oluşan bir gaz tabakasıdır. Atmosferin kompozisyonu yaklaşık %78 azot, %21 oksijen ve %1 karbondioksit, argon, su buharı gibi diğer gazlardan oluşur. Atmosferi oluşturan gazlar, ağırlıkları nedeniyle temas ettiği yüzeylere basınç uygular; bu basınca açık hava basıncı denir ve P₀ sembolü ile gösterilir.
Sıvılarda basınç hesaplamaları derinliğe bağlı olarak yapılır ve sıvıların basıncı derinlikle doğru orantılı olarak artar (derinlik arttıkça üstteki katmanların ağırlığı artar). Gazlarda ise basınç hesaplamaları genellikle yüksekliğe bağlı olarak yapılır: sıkıştırılabilir yapıları nedeniyle gazların yükseklikle birlikte yoğunlukları ve dolayısıyla basınçları değişir. Atmosferin üst kısımlarındaki gaz katmanlarının yoğunluğu (dolayısıyla ağırlığı) daha az olduğundan, deniz seviyesinden yukarı çıkıldıkça gazların uyguladığı basınç azalır.
Torricelli Deneyi ve 1 Atmosfer
Evangelista Torricelli, açık hava basıncının ölçülmesinde ve atmosfer basıncının yükseklikle değişiminin anlaşılmasında çığır açan cıvalı barometreyi icat etmiştir. Torricelli, deniz seviyesinde 0 °C sıcaklıkta ve 1 m yüksekliğinde cıva ile dolu, bir ucu kapalı bir cam boru kullanmıştır. Boruyu içine hava girmeyecek şekilde ters çevirip cıva dolu bir kaba daldırmış; borunun içindeki cıva seviyesi önce bir miktar düşmüş, sonra dengeye gelmiştir. Kaptaki cıvanın üst yüzeyi ile cam borudaki cıvanın üst yüzeyi arasındaki fark 76 cm olarak ölçülmüştür.
Açık havanın kaptaki cıvanın üst yüzeyine uyguladığı basınç (P₀), 76 cm yüksekliğindeki cıva sütununun uyguladığı basınca eşittir. Bu durumda 0 °C sıcaklığında ve deniz seviyesindeki açık hava basıncı 76 cmHg olarak ölçülmüştür. Torricelli deneyinde kullanılan borunun şekli, kesiti, sıvıdaki konumu ve duruşu cıva seviyesini değiştirmez; cıva deniz seviyesinde her zaman 76 cm düzeyine yükselir.
Cıvanın yoğunluğu d = 13.600 kg/m³ ve yer çekimi ivmesi g = 9,8 m/s² alındığında açık hava basıncı P₀ = h·d·g formülüyle:
P₀ = 0,76 × 13.600 × 9,8 ≈ 101.300 Pa
bulunur. Bulunan bu değere 1 atmosfer (1 atm) denir. Günlük hayatta kullanılan basınç birimleri arasındaki ilişki şöyledir:
1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 10⁵ Pa
Açık Hava Basıncını Etkileyen Etmenler
Açık hava basıncı; hava sıcaklığı, hava yoğunluğu ve atmosferin kompozisyonu gibi etmenlere bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Sıcaklık arttığında hava molekülleri daha hızlı hareket eder ve birbirinden uzaklaşır; bu durum havanın genleşmesine ve yoğunluğunun azalmasına neden olur. Yoğunluğu azalan hava daha hafif hâle gelip yükselir ve böylece alçak basınç bölgeleri oluşur. Sıcaklık azaldığında ise hava molekülleri yavaşlar, birbirine yaklaşır ve hava yoğunluğu artar; yoğunlaşan soğuk hava yeryüzüne yakın bölgelerde yüksek basınç alanları oluşturur. Bu sıcaklık ve basınç değişimleri, atmosferdeki hareketleri tetikleyerek rüzgâr, yağış ve fırtına oluşumuna yol açar.
Rüzgârın Oluşumu ve Rüzgâr Enerjisi
Rüzgâr, atmosferdeki alçak ve yüksek basınç alanları arasındaki hava hareketidir. Alçak basınç alanları genellikle sıcak havanın genleşerek yükselmesiyle, yüksek basınç alanları ise soğuk havanın yoğunlaşıp alçalmasıyla oluşur. Hava kütleleri yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket etmeye çalışır; ancak Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönmesi rüzgârın doğrusal hareket yapmasını engelleyip sapmaya uğratır — bu sapma rüzgârın yönünü belirleyen temel etmenlerden biridir. Rüzgârın hızı; basınç farkının büyüklüğüne, dönme hareketinin etkisine, yüzey sürtünmesine ve coğrafi engellere bağlı olarak değişir. Okyanuslar üzerinde daha az sürtünme olduğundan rüzgârlar daha hızlı eser; dağlar ve vadiler gibi kara yüzeyi engelleri ise rüzgârın hızını değiştirebilir.
Basınç farklılıklarından kaynaklanan rüzgârlar, yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahiptir. Rüzgâr türbinlerinin pervaneleri rüzgârın etkisiyle döner ve bu hareket türbinin içindeki jeneratörün elektrik üretmesini sağlar. Türbinler genellikle yüksek rüzgâr potansiyeline sahip bölgelerde konumlandırılır ve farklı rüzgâr hızlarına uyum sağlayacak ayarlanabilir pervanelere sahiptir.
Magdeburg Deneyi
Otto von Guericke tarafından yapılan Magdeburg deneyi, atmosfer basıncının kuvvetini ve etkilerini göstermek amacıyla gerçekleştirilmiştir. "Magdeburg yarım küreleri" adı verilen iki metal yarım küre birleştirilmiş ve bir vakum pompasıyla kürelerin içindeki hava boşaltılmıştır. Daha sonra yarım küreler zıt yönlerde kuvvet uygulayan atlara bağlanarak birbirinden ayrılmaya çalışılmış, ancak başarılı olunamamıştır. İçeride hava kalmayınca dışarıdaki atmosfer basıncı yarım küreleri bir arada tutmuştur — bu deney, görünmez açık hava basıncının aslında ne kadar büyük bir kuvvet oluşturabildiğini çarpıcı biçimde göstermiştir.
Önemli Kavram Yanılgıları
Atmosferdeki havanın yoğunluğu homojen değildir; yüksekliğe göre değişir ve Dünya yüzeyine daha yakın yerlerde havanın yoğunluğu daha fazladır. Açık hava basıncı deniz seviyesinden yukarı çıkıldıkça azalırken, sıvı basıncı derinlere inildikçe artar — bu iki basınç türü zıt yönde değişir. Ayrıca deniz seviyesindeki açık hava basıncı tüm coğrafi bölgelerde tam olarak aynı değildir; coğrafi konuma ve diğer etmenlere bağlı olarak değişebilir, ancak genellikle atmosfer basıncını ölçmek için bir referans noktası (1 atm) olarak kullanılır.