標準大氣壓

在1954年第十屆國際計量大會上，科學家對大氣壓規定了一個“標準”：在緯度45°的海平面上，當温度為0℃時，760毫米高水銀柱(相當於1013.25百帕)產生的壓強叫作標準大氣壓。這一標準被廣泛接受並用於比較大氣壓的大小。

地球的周圍被厚厚的空氣包圍着，這些空氣被稱為大氣層。空氣可以像水那樣自由的流動，同時它也受重力作用。因此空氣的內部向各個方向都有壓強，這個壓強被稱為大氣壓。1643年，意大利科學家托里拆利在一根80釐米長的細玻璃管中注滿水銀倒置在盛有水銀的水槽中，發現玻璃管中的水銀大約下降了4釐米後就不再下降了。 ^[2]  這4釐米的空間無空氣進入，是真空。托里拆利據此推斷大氣的壓強就等於水銀柱的長度。根據壓強公式科學家們準確地算出了大氣壓在標準狀態下為1.01×10⁵Pa。1654年格里克在德國馬德堡作了著名的馬德堡半球實驗，這讓人們對大氣壓有了深刻的認識。

標準大氣壓不是固定不變的。既然是“標準”，在根據液體壓強公式計算時就要注意各物理量取值的準確性。從有關資料上查得：0℃時水銀的密度為13.595×10³kg/m³，緯度45°的海平面上的g值為9.80672N/kg。於是可得760毫米高水銀柱產生的壓強為：

p_水銀=ρ_水銀gh=13.595×10³kg/m³×9.80672N/kg×0.76m=1.01325×10⁵Pa。

這就是1標準大氣壓的值。

國家標準GB1920-80 標準大氣（30公里以下部分）規定：選取1976年美國標準大氣，其30公里以下部分作為我國國家標準，30公里以上部分可參考使用。標準重力加速度g=9.80665 N/kg，海平面絕對温度T=288.150 K，海平面空氣密度ρ=1.2250 kg/m³。

在最近的科學工作中，為方便起見，有另外將1標準大氣壓定義為100kPa的，記為1bar。故提到標準大氣壓，也可以指100kPa。

1公斤壓力約等於0.1Mpa，約等於一標準大氣壓； 一公斤壓力是一公斤力每平方釐米的簡稱， 一公斤力等於9.8牛頓，所以一公斤力每平方釐米=(9.8/0.0001)Pa=0.098MPa，約等於0.1MPa。而一標準大氣壓=1.01325X100000Pa，等同於0.1MPa.=10⁵Pa。

因此：1MPa=10公斤壓力=10㎏f/c㎡

1MPa=10標準大氣壓

真空度顧名思義就是真空的程度。是真空泵、微型真空泵、微型氣泵、微型抽氣泵、微型抽氣打氣泵等抽真空設備的一個主要參數。 ^[3]  若所測設備內的壓強低於大氣壓強，其壓力測量需要真空表。從真空表所讀得的數值稱真空度。真空度數值是表示出系統壓強實際數值低於大氣壓強的數值，即：真空度=大氣壓強—絕對壓強，絕對壓強=大氣壓+表壓(-真空度)。

所謂“真空“，是指在給定的空間內，壓強低於101325Pa(也即一個標準大氣壓強約101kPa)的氣體狀態。

在真空狀態下，氣體的稀薄程度通常用氣體的壓力值來表示，顯然，該壓力值越小則表示氣體越稀薄。 ^[3] 

舊時，學術界對空氣是否有重量和真空是否可能存在的問題還認識不清，主要是受亞里士多德思想的遺留影響，認為“世間萬物之中除了火和空氣以外均有各自的重量”。並堅持自然界“害怕真空”的説法。伽利略對此説法表示懷疑，他説：“我們不能相信亞里士多德所説的那樣，僅僅認為某物是輕的，某物是重的，而應當認識到所有的物體都有其各自的重量，只不過各有重量大小不同和質地疏密之分而已”。“如果人們憑感覺和理解都還不能認識到真空的存在，那麼憑感覺和理解又如何能否認真空的存在呢？”伽利略曾發現，抽水機在工作時，不能把水抽到10米以上的高度，他把這一現象歸結為水柱受不了它本身重量之故，再找不到合理滿意的解釋。

托里拆利堅決贊同伽利略的關於空氣有重量和真空存在的説法。在總結前人理論和實驗的基礎上，托里拆利進行了大量的實驗，實現了真空，驗證了空氣有重量的事實，否定了亞里士多德的關於真空力的説法。

大約在1641年，一位著名的數學家、天文學家貝爾提曾用一根10米多長的鉛管做成了真空實驗。托里拆利受到了這個實驗的啓發，想到用較大密度的海水、蜂蜜、水銀等做實驗。他選用的水銀實驗，取得了最成功的結果。他將一根長度為1米的玻璃管灌滿水銀，然後用手指頂住管口，將其倒插進裝有水銀的水銀槽裏，放開手指後，可見管內部頂上的水銀已下落，留出空間來了，而下面的部分則仍充滿水銀。為了進一步證明管中水銀面上部確實是真空，托里拆利又改進了實驗。他在水銀槽中將其水銀面以上直到缸口注滿清水，然後把玻璃管緩緩地向上提起，當玻璃管管口提高到水銀和水的界面以上時，管中的水銀便很快地瀉出來了，同時水猛然向上竄入管中，直至管頂。由此可見，原先管內水銀柱以上部分確實是空無所有的空間。原來的水銀柱和如今的水柱都不是被什麼真空力所吸引住的，而是被管外水銀面上的空氣重量所產生的壓力托住的。托里拆利的實驗是對亞里士多德的力學的最後致命打擊，於是有些人便妄圖否定托里拆利的研究成果，提出玻璃管上端內充有“純淨的空氣”，並非真空。大家各抒已見， 眾説紛紜，引起了一場激烈的爭論。爭論一直持續到帕斯卡的實驗成功證實托里拆利的理論後才逐漸統一起來 。

托里拆利在實驗中還發現，不管玻璃管長度如何，也不管玻璃管傾斜程度如何，水銀柱的豎直高度總保持在同一個高度（760mm） ，他還於1644年同維維安尼合作，製成了世界上第一具水銀氣壓計。

1643年，托里拆利與伽利略的另一個更年輕的學生維維安尼一起在意大利的佛羅倫薩做了著名的“托里拆利實驗”。

理解托里拆利實驗的原理，瞭解實驗的作法、操作過程和步驟。

托里拆利實驗器（J2116型），水銀，1米以上的長玻璃管（或兩根玻璃管中間用橡皮管連接），燒杯，紅色水。

1．一隻手握住玻璃管中部，在管內灌滿水銀，排除空氣，用另一隻手的食指緊緊堵住玻璃管開口端，把玻璃管小心地倒插在盛有水銀的槽裏，待開口端全部浸入水銀槽內時放開手指，將管子豎直固定，讀出水銀柱的豎直高度。

2．逐漸傾斜玻璃管，管內水銀柱的豎直高度不變。

3．繼續傾斜玻璃管，當傾斜到一定程度，管內充滿水銀，説明管內確實沒有空氣。

4．用內徑不同的玻璃管和長短不同的玻璃管重做這個實驗（或同時做，把它們並列在一起對比），可以發現水銀柱的豎直高度不變。説明大氣壓強與玻璃管的粗細、長短無關。

5．將長玻璃管一端用橡皮塞塞緊封閉，往管中注滿紅色水，用手指堵住另一端，把玻璃管倒插在水中，鬆開手指。觀察現象並提問學生：“如把頂端橡皮塞拔去，在外部大氣壓強作用下，水柱會不會從管頂噴出？”然後演示驗證，從而消除一些片面認識，加深理解。

1．説明托里拆利真空的存在，是實驗的關鍵，只有這一點成立，才能得出“水銀柱的壓強等於大氣壓強”。

2．水銀有劇毒，對人體非常有害，要特別注意安全操作。玻璃管要選管壁較厚、內徑較小的。操作時要避免碰撞和晃動，嚴防管子折斷。切不可將水銀散失在教室裏。灌水銀時最好用注射針筒或用細頸尖口的漏斗，下面用大塑料盒（搪瓷盆）墊上，以防水銀濺落在地。右手食指如有傷口，絕對不能帶傷口操作，可用膠皮手指套保護食指。如水銀萬一濺落在地，要設法收集，無法收集時，可撒硫磺粉使之硫化，然後收集埋掉，並打開窗户通風。

3．要減少實驗誤差，必須注意：①玻璃管、水銀槽必須清潔、乾燥，不能有灰塵、雜質和水分。②水銀必須清潔，如混入塵埃雜質，或溶有其他金屬生成汞齊而附在玻璃管內表面，會使讀數不精確，影響效果。③灌水銀時和灌後倒置水銀槽中都不能混入空氣。可用一根紗包線或漆包線一直通到玻璃管底部，灌水銀時，不時地上下拉動紗包線，使氣泡跟着排出。

4．托里拆利實驗是定量測量大氣壓強值的重要實驗，教師要認真準備，操作要規範，給學生作出表率。要教會學生讀數和觀察的方法：如米尺的起點線與槽內水銀面凸面要處於同一水平線上；讀數時，視線應與水銀面、刻度線在同一水平線上等。

馬德堡半球實驗（德語：Magdeburger Halbkugeln），亦作馬格德堡半球實驗，是1654年時，當時的馬德堡市長奧托·馮·格里克於羅馬帝國的雷根斯堡（今德國雷根斯堡）進行的一項科學實驗，目的是為了證明真空的存在。而此實驗也因格里克的職銜而被稱為“馬德堡半球”實驗。當年進行實驗的兩個半球仍保存在慕尼黑的德意志博物館中。現時也有供教學用途的仿製品，用作示範氣壓的原理，它們的體積也比當年的半球小得多，把半球的空間抽真空，不需再用十多匹就可拉開。

有一天，格里克和助手做成兩個半球，直徑14英寸，即30多釐米，並請來一大隊人馬，在市郊做起“大型實驗”。這年5月8日的這一天，美麗的馬德堡市風和日麗，晴空萬里，十分爽朗，一大批人圍在實驗場上，熙熙攘攘十分熱鬧。有的説這樣，有的説那樣；有的支持格里克，希望實驗成功；有的斷言實驗會失敗；人們在議論着，在爭論着；在預言着；還有的人一邊在大街小巷裏往實驗場跑，一邊高聲大叫：“市長演馬戲了！市長演馬戲了……”

格里克和助手當眾把這個黃銅的半球殼中間墊上橡皮圈，再把兩個半球殼灌滿水後合在一起，然後把水全部抽出，使球內形成真空。最後，把氣嘴上的龍頭擰緊封閉，這時，周圍的大氣把兩個半球緊緊地壓在一起。

格里克一揮手，四個馬伕牽來十六匹高頭大馬，在球的兩邊各拴四匹，格里克一聲令下，四個馬伕揚鞭催馬、背道而拉！好像在“拔河”似的。“加油！加油！”實驗場上黑壓壓的人羣一邊整齊地喊着，一邊打着拍子。4個馬伕，16匹大馬，都搞得渾身是汗．但是，銅球仍是原封不動，格里克只好搖搖手暫停一下。

然後，左右兩隊，人馬倍增。馬伕們喝了些水，擦擦額頭上的汗水，又在準備着第二次表現。格里克再一揮手，實驗場上更是熱鬧非常。32匹大馬，死勁抗拉，八個馬伕在大聲吆喊，揮鞭催馬……實驗場的上的人羣，更是伸長脖子，一個勁兒地看着，不時地發出“譁！譁！”的響聲。 突然，“啪！”的一聲巨響，銅球分開成原來的兩半，格里克舉起這兩個重重的半球自豪地向大家高聲宣告：“先生們！女士們！市民們！你們該相信了吧！大氣壓是有的，大氣壓力是大得這樣厲害！這麼驚人！……”

實驗結束後，仍有些人不理解這兩個半球為什麼拉不開，七嘴八舌地問他，他又耐心地作着詳盡地解釋：“平時，我們將兩個半球緊密合攏，無須用力，就會分開。這是因為球內球外都有大氣壓力的作用，相互抵消平衡了，好像沒有大氣作用似的。但是我把它抽成真空後，球內沒有向外的大氣壓力了，只有球外大氣緊緊地壓住這兩個半球……”通過這次“大型實驗”，人們都終於相信有真空，有大氣，大氣有壓力，大氣壓很驚人。

在當今社會，人們終於可以在慕尼黑的德意志博物館看到這個實驗的原始“設備”，也就是那兩個半球。世紀之交時，馬德堡市在當時的德國園林博覽會場地內建起了一座“千年塔”，裏面也放了兩個半球，以紀念格里克，不過是複製品了。

為了紀念這位老市長，馬德堡人在老市政廳旁的小廣場上豎起了他的雕像，還用他來為年輕的馬德堡大學命名。

馬德堡半球實驗證明：大氣壓力是非常強大的。實驗中，將兩個半球內的空氣抽掉，使球內的空氣粒子的數量減少， 下降。球外的大氣便把兩個半球緊壓在一起，因此就不容易分開了。抽掉越多，壓力越大。

大氣壓的大小與海拔高度、温度、濕度、大氣環流和地理位置等因素有關。

1. 海拔高度：大氣壓是由大氣層受到重力作用而產生的，離地面越高的地方，大氣層就越薄，那裏的大氣壓就應該越小。隨着海拔的增加，大氣的壓強逐漸降低。不過，由於跟大氣層受到的重力有關的空氣密度隨高度變化不均勻，因此大氣壓隨高度減小也是不均勻的。因此，在相同時間、同一地點，海拔越高的地方氣壓越低。

2. 温度：在相同的高度下，温度越高，氣壓越低。這是因為高温下氣體分子的速度增加，碰撞後的反彈力減小，空氣的壓強也就減小。但在密閉環境下（體積不變），温度越高氣壓越高。

3. 濕度：在相同的高度下，濕度越大，氣壓越低。這是因為水蒸氣的分子量比空氣分子的分子量小，會佔據一部分空間，從而使氣體分子的平均自由程變大，空氣的壓強也就減小。

4. 大氣環流：大氣環流是指地球不同地區之間的氣壓差異，它會引起氣體的運動和流動。例如，赤道上空的熱帶低氣壓帶會引起空氣向兩極方向流動，造成高緯度地區的高壓帶，從而影響氣壓的大小。

5. 地理位置：氣壓的大小還受到地球上不同地理位置的影響。例如，赤道附近的低氣壓帶和兩極附近的高氣壓帶會影響全球的大氣環流，從而影響氣壓的大小。

綜上所述，大氣壓的大小受到多種因素的影響，這些因素相互作用、相互影響，共同構成了一個複雜的大氣環境。在不同的季節，不同的氣候條件和地理位置等條件下，地球上方大氣壓的值有所不同。下面擇取大氣壓的五種主要變化，做一些分析討論，供參考。

從微觀角度看，決定氣體壓強大小的因素主要有兩點：一是氣體的密度n；二是氣體的熱力學温度T。在地球表面隨地勢的升高，地球對大氣層氣體分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度減小；同時大氣的温度也降低。所以在地球表面，隨地勢高度的增加，大氣壓的數值是逐漸減小的。如果把大氣層的空氣看成理想氣體，可以推得近似反映大氣壓隨高度而變化的公式如下：

μ為空氣的平均摩爾質量，p₀為地球表面處的大氣壓值，g為地球表面處的重力加速度，R為普適氣體恆量，T為大氣熱力學温度，h為氣柱高度。由上式可以看出，在不考慮大氣温度變化這一次要因素的影響時，大氣壓值隨地理高度h的增加按指數規律減小。在2km以內，大氣壓值可近似認為隨地理高度的增加而線性減小；在2km以外，大氣壓值隨地理高度的增加而減小漸緩。所以過去在初中物理教材中有介紹：在海拔2km以內，可以近似地認為每升高12m，大氣壓降低1毫米汞柱。

地球表面大氣層裏的成份，變化比較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫“濕空氣”，把含水汽較少的空氣叫“幹空氣”。有些人直覺地認為濕空氣比干空氣重，這是不正確的。幹空氣的平均分子量為28.966，而水氣的分子量只有18.106，所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小。即在相同的物理條件下，幹空氣的壓強比濕空氣的壓強大。 在地球表面，由赤道到兩極，隨地理緯度的增加，一方面由於地球的自轉和極地半徑的減小，地球對大氣的吸引力逐漸增大，空氣密度增大；另一方面由於兩極地區温度較低，所以空氣中的水汽較少，可近似看成幹空氣，所以由赤道向兩極，隨地理緯度增加，大氣壓總的變化規律是逐漸增大（因氣候等因素影響，局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規律）。

對於同一地區，在一天之內的不同時間，地面的大氣壓值也會有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個最高值和一個最低值。最高值出現於9～10時。最低值出現於15～16時。

導致大氣壓日變化的原因主要有三點。一是大氣的運動；二是大氣温度的變化；三是大氣濕度的變化。 日出以後，地面開始積累熱量，同時地面將部分熱量輸送給大氣，大氣也不斷地積累熱量，其温度升高濕度增大。當温度升高後，大氣逐漸向高空做上升輻散運動，在下午15～16時，大氣上升輻散運動的速度達最大值，同時大氣的濕度也達較大值，由於此二因素的影響，導致一天中此時的大氣壓最低。16時以後，大氣温度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運動減弱，大氣壓值開始升高；進入夜晚；大氣變冷開始向地面輻合下降，在上午9～10時，大氣輻合下降壓縮到最大程度，空氣密度最大，此時的大氣壓是一天中的最高值。

同一地區，在一年之中的不同時間其大氣壓的值也有所不同。這叫大氣壓的年變化。大氣壓的年變化，具體又分為三種類型，即大陸型、海洋型和高山型。其中海洋型大氣壓的年變化剛好與大陸型的相反。通常所説的“冬天的大氣壓比夏天高”，指的就是大陸型大氣壓的年變化規律。下面對此略做分析（另外兩種情況不做討論）。

由於大氣處於地球周圍一個開放沒有具體疆界的空間之內，這就使它與密閉容器中的氣體有着很多區別。夏天，大陸中的氣温比海洋上高，大氣的濕度也比較大（相對冬天而言），這樣大陸上的空氣不斷向海洋上擴散，導致其壓強減小。到了冬天，大陸上氣温比海洋上低，大陸上的空氣濕度也較夏天小，這樣海洋上的空氣就向大陸上擴散，使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因（大氣温度也是影響大氣壓的一個因素，但在這裏決定大氣壓變化的因素不是氣温，而是大氣的流動及大氣的密度）。

大氣壓隨氣候變化的情況比較多，但最為典型的就是晴天與陰天大氣壓的變化。有句諺語叫“晴天的大氣壓比陰天高”，反映的就是大氣壓的這一變化規律。 通常情況下，地面不斷地向大氣中進行長波有效輻射，同時大氣也在不斷地向地面進行逆輻射。晴天，地面的熱量可以較為通暢地通過有效輻射和對流氣層的向上輻散運動向外輸運。陰天時，雲層減少了對流層大氣向外的輻散運動。雲層這種保存地表和對液層熱量的作用稱為“温室效應”。這樣，陰天地區的大氣膨脹就比較厲害，從而導致陰天地區的大氣橫向向外擴散，使空氣的密度減小，同時陰天地區大氣的濕度比較大，也使大氣的密度減小。因這兩個因素的影響，從而導致陰天的大氣壓比晴天的大氣壓低。

1.高壓鍋

高壓鍋中封閉了空氣，給高壓鍋內空氣加熱時，鍋內氣體壓強增大，使鍋內的水沸騰時温度更高，更容易煮熟食物。家用高壓鍋壓力一般在1.7×10⁵(114C),或兼帶1.5×10⁵(110C)、1.3×10⁵(106C)。

2.真空吸盤

可以依靠外界大氣壓將其壓在牆上，可以掛東西。

3.拔罐療法

中醫中有一種玻璃罐，將其加熱時迅速按在人體某部位，等罐內空氣冷卻後，會被外界氣壓按在皮膚上，此時用力拔下玻璃罐，會吸出人體內有害的毒血，有利於康復。

4.飛機飛行

飛機機翼上方呈流線型，當空氣流過機翼時，一部分空氣從飛機機翼上方流過，一部分空氣從機翼下方流過，因為機翼上方為流線型，所以空氣要在相同的時間內流過不同的距離則速度不相同，機翼上方空氣流速較大，大氣壓較小；下方很平，空氣流速較小，大氣壓較大，於是。飛機在高速行駛時，機翼下方的大氣壓大，而機翼上方的大氣壓小，機翼上下的壓力差使飛機獲得了升力。

兩個皮碗口對口擠壓，然後兩手用力往外拉，發現要用較大的力才能拉開。

馬德堡半球實驗和模擬實驗的共同點是：將金屬球內和皮碗內的空氣抽出或擠出，使金屬球內和皮碗內空氣的壓強減小，而外界的大氣壓強就把它們緊緊地壓在一起，要用較大的力才能拉開，這就有力證明了大氣壓強的存在。

用剝了殼的熟雞蛋堵住廣口瓶口，實驗前用手輕輕用力，不能將雞蛋完整地壓入瓶內。再將點燃的棉球扔入裝有細沙（防止燒裂瓶底）的瓶中，迅速將該熟雞蛋塞住瓶口，待火熄滅後，觀察到雞蛋“嘣”的一聲掉入瓶內。 上述實驗，由於棉花燃燒使瓶內氣壓升高，而驟冷又會使氣壓迅速降低，當瓶內壓強小於瓶外大氣壓強時，雞蛋在大氣壓強的作用下，被壓入瓶內。

玻璃杯內裝滿水，用硬紙片蓋住玻璃杯口，用手按住，並倒置過來，放手後，整杯水被紙片托住，紙片不掉下來。 該實驗玻璃杯內裝滿水，排出了空氣，杯內的水對紙片向下的壓強小於大氣對紙片向上的壓強，因而紙片不掉下來。

分析上述三個實驗，不難理解大氣壓強存在問題。更深入研究：“瓶吞蛋”表明大氣豎直向下有壓強，“覆杯實驗”表明大氣向上有壓強。因而顯示出大氣壓強的特點：大氣向各個方向都有壓強。

據《新大學化學》（科學出版社，ISBN 978-7-03-033380-3）第8頁註釋："p原國際標定為101.325kPa，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）及1993年新國際標定為100.000kPa 。"但國內的中學課本，包括初中物理新課標八下和高中物理新課標選修模塊三，都未見數值改動。