氣壓計(Barometer)

氣壓計(Barometer)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

氣壓計(Barometer)，氣象學中用於測量大氣壓力(Atmospheric pressure)的一種科學儀器；利用水、水銀等測量大氣的壓力。由於氣壓可能會影響到某些實驗的結果，因此在實驗室內，有時會有氣壓計的蹤跡。

義大利物理學家托里切利(Evangelista Torricelli, 1608 – 1647)於1643年發明的水銀氣壓計，是科學史上最早的一種氣壓計，又稱為托里切利氣壓計(Torricellian barometer)。氣壓計為一端密封之長玻璃細管，管內裝滿水銀後將其倒扣於一裝著水銀的容器中（圖一）。托里切利觀察到當細管倒扣於容器中時會有部 份的水銀從管中流出，剩下的水銀管柱高度隨不同的天氣狀態略有升降，然而其高度大致維持在76公分(760 mm)附近。

圖一、托里切利氣壓計

托里切利的理論當中，水銀柱的高度代表大氣的壓力，因為他認為容器液面和管內的水平等高點（圖一中紅色星星處）受力應相同，只是一個壓力來自大氣壓力，另 一個壓力來自水銀柱，所以水銀柱的高度可以用來描述大氣壓力的高低。由於原來的管內沒有任何氣體的存在，故當細管倒扣所產生的空間內應該空無一物，呈現真 空狀態，稱為托里切利真空。

利用水銀柱高度測量氣壓的氣壓計為「水銀氣壓計(Mercury Barometer)」，玻璃細管長度至少需要84公分，壓力的單位為毫米汞柱(mmHg)或托(Torr)，1 mmHg = 1 Torr，大氣壓力大略為760 mmHg = 760 Torr。水銀氣壓計的優點：
1. 水銀氣壓計對於氣壓的反應相當靈敏。水銀柱高度只要有些微變化，就可以透過游標尺測量得到。然而，若是要精準校正氣壓，那麼溫度造成刻度的熱漲冷縮必須要考慮（水銀的熱膨脹係數為0.000182）。
2. 水銀柱高度改變是連續的，而且近似於線性關係，關係式如下：
P = Pa (1 – 0.000182*T)
P : 實際壓力；Pa : 指示壓力；T : 溫度
3. 若將水銀與其他液體比較，其蒸氣壓相當小，因此上端水銀蒸氣相當小可忽略，水銀柱高度可直接反應氣壓。
4. 水銀的比重相當大，是常溫下最大的液體。透過水銀，液體氣壓計的長度可以在一公尺以內。

水銀氣壓計隨著時代演變得更加靈敏、方便攜帶與判讀，從最原始的長柱狀，到現在的盤狀、輪狀、可摺疊等各式各樣的氣壓計。這些改進則包含了將水銀的容器， 由不易移動的盆子，改成容易移動的透氣袋；或者是如波以耳(Robert Boyle)將另外一端往上彎，得到虹吸氣壓計。而還有兩樣配件是現今的水銀氣壓計所具有的校正工具：一個是在讀取刻度旁邊的游標尺，幫助讀到更精密的刻 度；而另一個則是在底部的校準螺絲，透過旋轉螺絲的高度，可以改變管子的位置，使得管底附近的指示針對準液面，以避免水銀柱高度改變時液面同時改變等因素 的誤差。

除此之外，除了水銀氣壓計以外，還有其他各種不同樣式的氣壓計。其中一類是無液氣壓計(Aneroid barometer)：這之中最為典型的是盒式氣壓計(Dosen-barometer)（圖二）。盒式氣壓計在氣壓改變時，有彈性的盒子會收縮或膨脹， 這樣一來便會改變盒子的體積，進而使得所顯示的氣壓改變。

圖二、盒式氣壓計

參考資料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; pp. 140.
2. WIKIPEDIA– Barometer  http://en.wikipedia.org/wiki/Barometer
3. 維基百科—氣壓表  http://zh.wikipedia.org/wiki/气压表