luchtdruk meten met behulp van een plastic slang

voor natuurkunde moeten wij een proef uitvoeren namelijk: meet de luchtdruk, als je een plastic slang in het trappenhuis hangt. heeft u hier meer informatie over? als u er meer over weet, hoor ik daar graag van. Bij voorbaat dank

Beste Jelske, de luchtdruk kun je inderdaad ook met water meten. Normaal gesproken gebruikt met hiervoor kwik in een buis omdat dat een s.m. heeft van 13,6 gr/cm3. Water heeft een s.m. van 1 gr/cm3. Kwik is dus 13,6 maal zwaarder dan water. Aangezien de luchtdruk normaal gesproken ongeveer 76 cm kwik (Hg) is, komt dat overeen met 13,6 x 76 = 1033 cm waterkolom. Het gebruik van kwik is dus handiger (niet veiliger !) omdat je dan maar een barometer nodig hebt van ongeveer 80 cm, terwijl je bij een waterbarometer dus op ongeveer 11 meter uitkomt.

Hoe werkt nou een barometer, en waarom gaat het water boven in de waterbarometer koken ??

Op de figuur links zie je wat er gebeurt als je een glazen buis vult met kwik ( Hg ) en deze vervolgens rechtop zet. De luchtdruk op onze aarde is gemiddeld ongeveer 1 bar = 1013 millibar (mbar) ofwel 760 millimeter kwikkolom. Dat betekend dus dat door de kolom lucht die rond onze aarde zit er een druk van 1 bar onstaat en deze is dus in staat om 76 cm kwik omhoog te drukken. Je zou het misschien niet verwachten, maar ook lucht heeft een gewicht en wel 1,27 kg/ m?. Het vervelende is dat je dit gewicht moeilijk kunt meten, want lucht in lucht weegt namelijk niks. Het is hetzelfde principe als het gewicht van een emmer met water die je in het water weegt. In het water meet je alleen het gewicht van de emmer. Pas als je de emmer uit het water haalt kun je het gewicht van het water voelen. Dit is de wet van Archimedes: de afname van het gewicht is gelijk aan de het gewicht van de verplaatste vloeistof.

Omdat kwik zo zwaar is krijgt de luchtdruk het maar 76 cm omhoog. De lengte van de buis maakt dus niks uit. Ook als deze bij wijze van spreken 20 meter lang zou zijn zou het kwik maar 76 cm omhoog komen. In de rechter figuur wordt dat met een U-buis (buis van Torricelli) nog eens weergegeven. Het hoogte verschil = d = zal ook hier 76 cm kwik zijn. Zou je deze U-buis meenemen tot buiten de dampkring, dan staat er aan beide kanten vacuum en zal het hoogteverschil van het kwik = d = dus nul zijn. Er is immers geen lucht meer en dus ook geen luchtdruk. Hoe verder je afdaalt naar de aarde hoe verder de kwikkolom dus zal stijgen, omdat er steeds meer lucht en dus luchtdruk ontstaat. Nu heb je hoge en lage drukgebieden, dus de druk op aarde varieert een beetje. Bij een hogedruk gebied zijn door de luchtstroming en temperatuur de moleculen wat dichter op elkaar geperst. De lucht weegt dan meer, omdat er meer moleculen in dezelfde m? zitten. De luchtkolom is dan wat zwaarder en de kwikkolom zal dus verder stijgen door de hogere druk.

Bij een waterbarometer werkt het allemaal precies zo, alleen water is veel lichter dan kwik, dus de luchtdruk drukt het water ook veel verder omhoog. Om precies te zijn: kwik is 13,6 maal zo zwaar als water dus als de luchtdruk 76 cm kwik omhoog drukt zal deze 13,6 x 76 = 1033 cm (10,33 meter) waterkolom omhoog drukken. Zou je i.p.v. water b.v. olie nemen met een soortelijke massa van 0,8 gram/cm?, dan zou de kolom olie dus 1033 / 0,8 = 1291 cm hoog worden. Dus hoe lichter de vloeistof, hoe hoger de kolom die de luchtdruk omhoog drukt.

Bij gebruik van water en een platic slang treden wat complicaties op. Omdat boven in de slang vacuum heerst zal de slang zeer waarschijnlijk dicht knijpen. Het is dus handiger om voor het bovenste stuk een stuk doorzichtig plastic of glazen pijp te nemen.   Water heeft de leuke eigenschap dat het kookt bij 100 ?C, maar dat hangt wel van de druk af. Zo weten de meesten wel dat in een z.g. snelkookpan de druk hoger wordt gemaakt met als gevolg dat de temperatuur waarbij het water gaat koken ook hoger wordt en dus de aardappels en groenten sneller klaar zijn. Het omgekeerde is ook het geval. Zit je hoog in de bergen (2000 meter) dan kookt het water al bij ongeveer 92 ?C en duurt het stukken langer voordat alles gaar is. Door een hoge luchtdruk hebben de moleculen dus meer energie [lees temperatuur = snelheid] nodig om uit het water te komen. Als er geen luchtdruk meer is [vacuum] zoals in de plastic slang hebben de watermoleculen dus weinig energie nodig om uit het water te komen. men noemt dit ook wel de dampspanning. Als ik er vanuit ga dat de temperatuur van het water in de plastic slang 17,5 ?C is dan hoort daar een dampspanning bij van 0,02 bar (kun je opzoeken in water-stoomtabellen). Aangezien er vacuum in de plastic slang is zal het water net zolang gaan koken tot boven in de waterbarometer een dampdruk is ontstaan van 0,02 bar [ = 20 millibar = 20 cm waterkolom ] Het water zal dus niet zoals berekend op 1033 cm maar op 1033 – 20 = 1013 cm uitkomen. Afhankelijk van de temperatuur van het water, zal de waterbarometer dus te weinig aangeven. Als je kokend heet water had gebruikt zou de waterkolom dus helemaal wegzakken. Bovenstaande had je niet gehad bij gebruik van (schone) olie.

Bovenin de waterbarometer heerst dus bijna vacuum. Als je dus een (plastic) slang of pijp hebt, die aan de onderkant in het water steekt, en je zuigt de lucht eruit met een (vacuum)pomp, dan kun je het water dus maximaal ongeveer 10 meter omhoog zuigen. Als je dus een waterput hebt die dieper is dan 10 meter tot het wateroppervlak kun je er met een pomp aan de bovenkant nooit water uit krijgen.

Eenheden: 76 cm kwikkolom = 1013 mbar = 1033 cm waterkolom = 1 atmosfeer

***arjen***