Ciśnienie to wielkość fizyczna obliczana w następujący sposób: podziel siłę nacisku przez obszar, na który działa ta siła. Siła nacisku zależy od ciężaru. Każdy przedmiot fizyczny wywiera nacisk, ponieważ ma przynajmniej pewną wagę. Artykuł omówi szczegółowo ciśnienie w gazach. Przykłady zilustrują, od czego to zależy i jak się zmienia.
Różnica w mechanizmach ciśnienia substancji stałych, ciekłych i gazowych
Jaka jest różnica między cieczami, ciałami stałymi i gazami? Pierwsze dwa mają objętość. Ciała stałe zachowują swój kształt. Gaz umieszczony w naczyniu zajmuje całą jego przestrzeń. Wynika to z faktu, że cząsteczki gazu praktycznie nie oddziałują ze sobą. Dlatego mechanizm ciśnienia gazu znacznie różni się od mechanizmu ciśnienia cieczy i ciał stałych.
Połóżmy ciężar na stole. Pod wpływem grawitacji ciężar przesuwałby się dalej po stole, ale tak się nie dzieje. Czemu? Ponieważ cząsteczki tabeli zbliżają się do cząsteczek zz której wykonany jest odważnik, odległość między nimi zmniejsza się tak bardzo, że między cząstkami odważnika a stołem powstają siły odpychające. W przypadku gazów sytuacja jest zupełnie inna.
Ciśnienie atmosferyczne
Zanim zajmiemy się ciśnieniem substancji gazowych, wprowadźmy pojęcie, bez którego dalsze wyjaśnienia są niemożliwe - ciśnienie atmosferyczne. Taki efekt ma otaczające nas powietrze (atmosfera). Powietrze tylko wydaje nam się nieważkie, w rzeczywistości ma wagę i aby to udowodnić, przeprowadźmy eksperyment.
Zważymy powietrze w szklanym naczyniu. Wchodzi tam przez gumową rurkę w szyi. Usuń powietrze za pomocą pompy próżniowej. Zważmy kolbę bez powietrza, następnie odkręć kran, a gdy dostanie się powietrze, jego waga zostanie dodana do wagi kolby.
Ciśnienie w naczyniu
Zastanówmy się, jak gazy działają na ścianki naczyń. Cząsteczki gazu praktycznie nie oddziałują ze sobą, ale nie rozpraszają się od siebie. Oznacza to, że nadal docierają do ścian naczynia, a następnie wracają. Kiedy cząsteczka uderza w ścianę, jej uderzenie działa z pewną siłą na naczynie. Ta moc jest krótkotrwała.
Kolejny przykład. Rzućmy piłką w kartkę, piłka odbije się, a karton trochę się zboczy. Zamieńmy piłkę na piasek. Uderzenia będą niewielkie, nawet ich nie usłyszymy, ale ich siła wzrośnie. Arkusz będzie stale odrzucany.
Teraz weźmy najmniejsze cząsteczki, na przykład cząsteczki powietrza, które mamy w naszych płucach. Dmuchamy na tekturę i odbiega. Wymuszamycząsteczki powietrza uderzają w karton, w wyniku czego działa na niego siła. Co to za moc? To jest siła nacisku.
Podsumujmy: ciśnienie gazu jest spowodowane uderzeniami cząsteczek gazu o ściany naczynia. Mikroskopijne siły działające na ściany sumują się i otrzymujemy tak zwaną siłę nacisku. Wynikiem dzielenia siły przez powierzchnię jest ciśnienie.
Pojawia się pytanie: dlaczego, jeśli weźmiesz do ręki arkusz tektury, to się nie odchyli? W końcu jest w gazie, czyli w powietrzu. Ponieważ uderzenia cząsteczek powietrza po jednej i drugiej stronie arkusza równoważą się nawzajem. Jak sprawdzić, czy cząsteczki powietrza naprawdę uderzają w ścianę? Można to zrobić, usuwając uderzenia cząsteczek z jednej strony, na przykład wypompowując powietrze.
Eksperyment
Istnieje specjalne urządzenie - pompa próżniowa. To jest szklany słoik na płycie próżniowej. Posiada gumową uszczelkę, dzięki czemu nie ma szczeliny między nakrętką a płytką, aby ściśle do siebie pasowały. Do jednostki podciśnieniowej dołączony jest manometr, który mierzy różnicę ciśnienia powietrza na zewnątrz i pod maską. Kran umożliwia podłączenie węża prowadzącego do pompy do przestrzeni pod maską.
Umieść lekko napompowany balonik pod nasadką. Dzięki temu, że jest lekko napompowana, uderzenia cząsteczek wewnątrz kuli i poza nią są kompensowane. Zakrywamy kulkę nakrętką, włączamy pompę próżniową, otwieramy kran. Na manometrze zobaczymy, że rośnie różnica między powietrzem wewnątrz i na zewnątrz. A co z balonem? Zwiększa się. Ciśnienie, czyli oddziaływanie cząsteczekpoza piłką, zmniejszając się. Cząsteczki powietrza wewnątrz kuli pozostają, kompensacja wstrząsów z zewnątrz i od wewnątrz jest naruszona. Objętość kulki rośnie dzięki temu, że siła nacisku cząsteczek powietrza z zewnątrz jest częściowo przejmowana przez siłę sprężystości gumy.
Teraz zamknij kran, wyłącz pompę, otwórz kran ponownie, odłącz wąż, aby przepuścić powietrze pod nakrętką. Piłka zacznie się zmniejszać. Gdy różnica ciśnień na zewnątrz i pod nakrętką wynosi zero, będzie miała taką samą wielkość jak przed rozpoczęciem eksperymentu. To doświadczenie udowadnia, że możesz zobaczyć ciśnienie na własne oczy, jeśli jest ono większe po jednej stronie niż po drugiej, tj. jeśli gaz jest usuwany z jednej strony i pozostawiany po drugiej.
Konkluzja jest następująca: ciśnienie jest wielkością, która jest określana przez wpływ cząsteczek, ale wpływy mogą być liczniejsze i mniej liczne. Im więcej uderzeń w ściany naczynia, tym większe ciśnienie. Ponadto im większa prędkość cząsteczek uderzających w ścianki naczynia, tym większe ciśnienie wytwarzane przez ten gaz.
Zależność ciśnienia od objętości
Powiedzmy, że mamy określoną masę oka, to znaczy określoną liczbę cząsteczek. W trakcie eksperymentów, które będziemy rozważać, ta wielkość się nie zmienia. Gaz znajduje się w cylindrze z tłokiem. Tłok można przesuwać w górę iw dół. Górna część cylindra jest otwarta, nałożymy na nią elastyczną gumową folię. Cząsteczki gazu uderzają w ściany naczynia i folię. Gdy ciśnienie powietrza wewnątrz i na zewnątrz jest takie samo, folia jest płaska.
Jeśli przesuniesz tłok w górę,liczba cząsteczek pozostanie taka sama, ale odległość między nimi zmniejszy się. Będą poruszać się z tymi samymi prędkościami, ich masa się nie zmieni. Jednak liczba trafień wzrośnie, ponieważ cząsteczka musi pokonać mniejszą odległość, aby dotrzeć do ściany. W rezultacie ciśnienie powinno wzrosnąć, a folia powinna wygiąć się na zewnątrz. Dlatego wraz ze spadkiem objętości wzrasta ciśnienie gazu, ale pod warunkiem, że masa gazu i temperatura pozostają niezmienione.
Jeśli przesuniesz tłok w dół, zwiększy się odległość między cząsteczkami, co oznacza, że zwiększy się również czas, jaki zajmie im dotarcie do ścianek cylindra i folii. Trafienia będą coraz rzadsze. Gaz na zewnątrz ma wyższe ciśnienie niż wewnątrz butli. Dlatego film będzie wyginał się do wewnątrz. Wniosek: ciśnienie jest wielkością zależną od objętości.
Zależność ciśnienia od temperatury
Załóżmy, że mamy naczynie z gazem o niskiej temperaturze i naczynie z tym samym gazem w tej samej ilości w wysokiej temperaturze. W każdej temperaturze ciśnienie gazu wynika z oddziaływania cząsteczek. Liczba cząsteczek gazu w obu naczyniach jest taka sama. Objętość jest taka sama, więc odległość między cząsteczkami pozostaje taka sama.
Wraz ze wzrostem temperatury cząstki zaczynają poruszać się szybciej. W konsekwencji wzrasta liczba i siła ich oddziaływań na ściany naczynia.
Następujący eksperyment pomaga zweryfikować poprawność stwierdzenia, że wraz ze wzrostem temperatury gazu wzrasta jego ciśnienie.
Weźbutelka, której szyjka jest zamknięta balonem. Umieść go w pojemniku z gorącą wodą. Zobaczymy, że balon jest napompowany. Jeśli zmienisz wodę w pojemniku na zimną i postawisz tam butelkę, balon opróżni się, a nawet zostanie wciągnięty.
