ID: 00039937
Источник: ФИПИ
Трубка запаяна с одного конца и опущена открытым концом в воду на половину своей длины. Верхняя, запаянная часть заполнена воздухом — он оказался заперт, выйти ему некуда. Снизу в трубку немного вошла вода; её уровень внутри трубки ниже уровня воды в сосуде. Атмосферное давление увеличивают, температура прежняя.
Запертый воздух в трубке работает как пружина: он подпирает воду сверху и не даёт ей подняться. Разберём равновесие на уровне воды внутри трубки. Сверху на неё давит запертый газ, снизу — вода, которая передаёт атмосферное давление плюс давление своего столба:
$$p_{газа}=p_{атм}+\rho g h$$
где $h$ — насколько уровень внутри трубки ниже уровня воды в сосуде. Здесь работают сразу два закона: закон Паскаля (давление на поверхность воды передаётся жидкостью во все стороны без изменения) и формула гидростатического давления.
Атмосфера сильнее давит на поверхность воды в сосуде, вода передаёт эту прибавку внутрь трубки и начинает подниматься, поджимая запертый воздух. Значит объём газа уменьшается.
Проверим по газовому закону. Порция запертого воздуха не меняется, температура постоянна — процесс изотермический, и работает закон Бойля—Мариотта:
$$p_1V_1=p_2V_2,\qquad V_2=\frac{p_1V_1}{p_2}$$
Давление газа выросло вслед за атмосферным ($p_2>p_1$), значит его объём стал меньше: $V_2
Столбик запертого воздуха укоротился, а освободившееся место заняла вода: уровень воды в трубке поднялся. Такая трубка, по сути, работает как простейший барометр — по высоте воды в ней можно судить об атмосферном давлении.