Chân không là gì? áp suất khí quyển

Chân không là gì?

Lịch sử về khái niệm chân không

Aristoteles (384 – 322 trước công nguyên) một nhà khoa học, triết học nổi tiếng thời Hy Lạp cổ đại, những ghi chép của Ông được coi là nền tảng đầu tiên khai sinh ra bộ môn vật lí học. Ông cho rằng: “tự nhiên luôn sợ hãi trước không gian trống rỗng” và Ông cũng khẳng định chân không là một không gian trống rỗng của vật chất không hề tồn tại bởi vì vật chất ở xung quanh nó luôn lấp đầy nó.

Khi nhận định của Aristoteles được đưa ra mọi người đều tin rằng nó đúng, và trong gần 2000 năm sau không hề có một câu hỏi nghi ngờ nào được đặt ra. Cho đến khi vấn đề trong thực tế nảy sinh khiến các nhà khoa học, vật lí học không thể giải thích được.

Vào thế kỉ thứ 17 nhiều thợ mỏ ở Ý đã phải đối mặt một vấn đề nghiêm trọng khi thấy rằng các máy bơm của họ không thể bơm nước lên độ cao hơn 10,3m.

Công nghiệp khai thác mỏ thời xưa gặp rất nhiều khó khăn khi đào sâu vào trong lòng đất nước từ các mạch ngầm sẽ chàn vào trong hầm mỏ, công nghệ bơm nước bằng máy chưa có, họ phải làm bằng tay nhưng có một vấn đề là nước không thể bơm quá khỏi độ cao 10,3m tính từ vị trí mặt nước ngầm trong lòng đất.

Galileo một nhà vật lí học thời bấy giờ đã đưa ra giả thuyết giải thích hiện tượng trên là do tồn tại một khoảng không gian trống (chân không) lấp đầy phần ống bơm nước khiến cho nó không thể dâng cao hơn 10,3m.

Gây hứng thú bởi lý thuyết không chính thống của Galileo, Gasparo Berti (1600-1643) một nhà vật lí học, thiên văn học, toán học người Ý đã làm một thí nghiệm đơn giản nhưng vô cùng thông minh để chứng minh rằng môi trường chân không là có thật.

Một ống dài chứa đầy nước đậy kín để không khí không lọt vào được sau đó đặt vào trong một bể chứa nước, phần đầu dưới của ống đã được tháo ra. Khi đó nước trong ống tràn vào bể nước đến khi độ cao của nước trong ống đạt 10,3m (chính xác là 13,6m) so với mặt đất thì dừng. Phần không gian trống bên trong ống không có không khí (một không gian trống rỗng) điều này chứng tỏ tại đó là môi trường chân không.

Với phần rỗng ở phía đầu ống và chưa có không khí lọt vào ống. Berti đã thành công trong việc trực tiếp tạo ra một môi trường chân không ổn định. Chân không mà Berti tạo ra là môi trường trống rỗng không có không khí.

Evangelista Torricelli (1608-1647) nhà vật lí người ý đã nhìn thí nghiệm trên của Gasparo Berti dưới một góc độ khác. Thay vì tập trung vào phần chân không bên trong ống nước, ông tự hỏi điều gì khác có thể tác động đến nước? Bởi vì thứ duy nhất tiếp xúc với nước là không khí xung quanh ông tin rằng áp lực không khí là nguyên nhân duy nhất khiến cho mực nước trong ống bị hạ xuống độ cao 10,3m.

Torricelli đưa ra giả thuyết rằng thí nghiệm Gasparo Berti không chỉ chứng minh sự tồn tại của chân không mà nó còn chứng minh có sự cân bằng giữa áp suất khí quyển trên mặt nước ở bên ngoài ống và áp suất từ cột nước bên trong ống trạng thái cân bằng này xảy ra khi nước trong ống là 10,3 mét.

Giả thuyết này đã không được chấp thuận dễ dàng, Galileo và những nhà vật lí học khác đã luôn nghĩ rằng không khí trong khí quyển không có trọng lượng nên không tạo ra bất cứ áp lực (áp suất) nào việc nước có thể dâng cao trong ống là do chân không đã tạo ra một lực có tác dụng hút chất lỏng về phía nó.

Torricelli quyết định lặp lại thí nghiệm của Berti và dùng thủy ngân thay vì nước.

Vì thủy ngân đặc hơn nước, nên chiều cao của cột chất lỏng bên trong ống là 76 cm. Điều này không chỉ cho phép Torricelli làm thí nghiệm với dụng cụ nhỏ gọn hơn, nó củng cố giả thuyết của ông cho rằng khối lượng riêng của chất lỏng là yếu tố quyết định đến chiều cao của cột chất lỏng bên trong ống.

Một thí nghiệm khác được Torricelli thực hiện ông sử dụng hai ống thủy tinh có hình dạng khác nhau (như hình minh họa ở trên). Nếu giải thích của Galileo là chính xác, môi trường chân không lớn hơn ở trong ống thứ hai sẽ gây lực hút lớn hơn và đẩy thủy ngân lên cao hơn. Nhưng mực thủy ngân trong hai ống là như nhau khi tiến hành thí nghiệm.

Lý thuyết của Torricelli được ủng hộ thông qua Blaise Pascal người đã từng đưa một ống thủy ngân như vậy lên núi và chứng minh rằng mực thủy ngân đã giảm giống như áp suất khí quyển giảm dần khi lên cao.

Áp kế Thủy ngân (còn được gọi là phong vũ biểu) dựa trên mô hình ban đầu của Torricelli là một trong những cách phổ biến nhất để đo áp suất khí quyển cho đến tận năm 2007 khi việc sử dụng thủy ngân bị cấm bởi độc tính của nó, dẫn đến thủy ngân không còn được sản xuất tại Châu Âu.

Mặc dù vậy, phát minh của Torricelli là phát minh đi ngược lại những điều mà từ lâu mọi nhà khoa học mặc nhiên cho là đúng về chân không và áp lực của không khí. Đây là ví dụ điển hình của việc suy nghĩ một cách sáng tạo có thể mang lại sự khác biệt vô cùng lớn. Đó chính là lý do tại sao trong các bài toán vật lí các bạn thường gặp giả thiết áp suất khí quyển là 760mmHg=76cmHg (Hg là tên viết tắt của nguyên tố hóa học thủy ngân).

Với đơn vị đo áp suất là 760mmHg ta gần như không có cảm nhận gì về áp lực của không khí, cho đến năm 1654, Otto von Guericke (1602-1686) nhà phát minh, nhà vật lí học người Đức, đã tiến hành một thí nghiệm cho thấy áp lực của không khí mạnh đến mức nào.

Ngày nay bằng các dụng cụ đo áp suất hiện đại các nhà vật lí học đã đo được chính xác áp suất của khí quyển tại mặt đất là 1,013.10⁵Pa=1,013.10⁵(N/m²) tương đương với áp lực gây ra bởi một vật có khối lượng hơn 10 tấn nén vuông góc lên bề mặt có diện tích 1m²

Đây thực sự là một điều kì diệu của tự nhiên, nhờ nó mà chúng ta có thể tồn tại được. Bên trong mỗi con người đều tồn tại chất lỏng, chất hữu cơ, các loại khí giúp cân bằng với áp suất của khí quyển khi bạn sinh sống tại mặt đất. Nếu di chuyển sâu vào trong lòng đất, hoặc lên cao hơn bạn sẽ gặp rất nhiều rắc rối với cơ thể vì sự mất cân bằng áp suất giữa bên trong và bên ngoài cơ thể.