Ciśnienie jest... Ciśnienie w gazach i jego zależność od różnych czynników

Ciśnienie jest wielkością fizyczną, którą oblicza się dzieląc siłę nacisku przez powierzchnię, na którą działa ta siła. Siła nacisku jest określona przez masę. Każdy obiekt fizyczny wywiera ciśnienie, ponieważ ma przynajmniej pewien ciężar. W tym artykule przyjrzymy się bliżej ciśnieniu w gazach. Przykłady pokażą od czego zależy i jak się zmienia.

Różnica w mechanizmach ciśnienia między ciałami stałymi, cieczami i gazami

Czym różnią się od siebie ciecze, ciała stałe i gazy? Dwa pierwsze mają objętość. Ciała stałe zachowują swój kształt. Gaz w naczyniu zajmuje całą przestrzeń w naczyniu. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki gazu prawie nie oddziałują ze sobą. Dlatego mechanizm działania ciśnienia gazu jest zupełnie inny niż w przypadku cieczy i ciał stałych.

Opuśćmy ciężar na stół. Grawitacja spowodowałaby, że waga nadal poruszałaby się w dół przez stół, ale tak nie jest. Dlaczego? Ponieważ cząsteczki stołu zbliżają się do cząsteczek, z których zbudowana jest waga, odległość między nimi zmniejsza się tak bardzo, że między cząsteczkami wagi i stołu powstają siły odpychające. Zupełnie inaczej sytuacja wygląda w gazach.

Ciśnienie atmosferyczne

Zanim zajmiemy się ciśnieniem gazów, wprowadzimy pojęcie, bez którego dalsze wyjaśnienie nie jest możliwe - ciśnienie atmosferyczne. Jest to efekt działania otaczającego powietrza (atmosfery). Powietrze tylko wydaje nam się nieważkie, w rzeczywistości ma masę, a żeby to udowodnić, przeprowadźmy eksperyment.

Będziemy ważyć powietrze w szklanym naczyniu. Dostaje się tam przez gumową rurkę w szyjce. Usunąć powietrze za pomocą pompy próżniowej. Ważymy kolbę bez powietrza, następnie otwieramy kran, a gdy pojawi się powietrze, jego ciężar dodajemy do wagi kolby.

Ciśnienie w zbiorniku

Zobaczmy, jak gazy działają na ścianki naczynia. Cząsteczki gazu ledwo będą ze sobą oddziaływać, ale nie odlecą od siebie. Czyli rzeczywiście docierają do ścian naczynia, a potem wracają. Gdy cząsteczka uderza w ścianę, jej uderzenie działa na naczynie z pewną siłą. Ta siła jest krótkotrwała.

Inny przykład. Rzuć piłkę na kawałek tektury, piłka się odbije, a tektura trochę się odchyli. Zastąpić kulę piaskiem. Uderzenie będzie malutkie, nawet go nie usłyszymy, ale siła będzie narastać. Arkusz będzie stale odchylany.

Weźmy teraz najmniejsze cząsteczki, takie jak cząsteczki powietrza, które mamy w naszych płucach. Jeśli dmuchniemy na karton, to się odchyli. Zmuszamy cząsteczki powietrza do uderzania w tekturę, a w efekcie na tekturę działa siła. Czym jest ta siła?? Jest to siła nacisku.

Wniosek: Ciśnienie gazu powstaje w wyniku uderzenia cząsteczek gazu o ściankę naczynia. Mikroskopijne siły działające na ściany sumują się i otrzymujemy coś, co nazywamy siłą nacisku. Wynikiem podzielenia siły przez powierzchnię jest ciśnienie.

Nasuwa się pytanie, dlaczego trzymając kawałek tektury w ręku, nie odchyla się ona? Jest w gazie, więc jest w powietrzu. Ponieważ oddziaływanie cząsteczek powietrza na jedną i drugą stronę arkusza wzajemnie się równoważy. Jak sprawdzić, czy cząsteczki powietrza rzeczywiście uderzają w ścianę?? Można to zrobić poprzez usunięcie oddziaływania cząsteczek z jednej strony, na przykład poprzez wypompowanie powietrza.

Eksperyment

Jest do tego specjalne urządzenie zwane pompą próżniową. To jest szklana nakładka na płytę próżniową. Jest na nim gumowa uszczelka, dzięki czemu nie ma szczeliny między kapslem a płytą, więc pasują do siebie hermetycznie. Do próżni dołączono manometr, który mierzy różnicę między ciśnieniem powietrza na zewnątrz i pod korkiem. Kran umożliwia podłączenie węża prowadzącego do pompy do przestrzeni pod dzwonem.

Umieść pod maską lekko nadmuchany balonik. Ponieważ jest on lekko nadmuchany, wyrównuje się oddziaływanie cząsteczek wewnątrz i na zewnątrz balonu. Nałóżmy kapturek na balon, włączmy pompę próżniową, otwórzmy kran. Na manometrze widzimy, że różnica między powietrzem wewnątrz i na zewnątrz rośnie. Co z balonem? Rośnie w siłę. Ciśnienie, czyli cząsteczki uderzające w zewnętrzną część balonu, staje się coraz mniejsze. Cząsteczki powietrza wewnątrz balonu pozostają, a kompensacja wstrząsów z zewnątrz i wewnątrz jest zaburzona. Objętość balonu zwiększa się, ponieważ siła nacisku cząsteczek powietrza z zewnątrz jest częściowo przejmowana przez siłę sprężystości gumy.

Teraz zamknij zawór, wyłącz pompę, ponownie otwórz zawór, odłącz wąż, aby wpuścić powietrze pod maskę. Kula zaczyna się kurczyć. Gdy różnica ciśnień na zewnątrz i pod dzwonem będzie równa zeru, będzie on miał takie same rozmiary jak przed eksperymentem. To doświadczenie dowodzi, że można zobaczyć ciśnienie z pierwszej ręki, jeśli z jedna strona jest większa niż po drugiej stronie, czyli tym większa jest prędkość cząsteczek uderzających w ścianę naczynia. е. jeśli usuniesz gaz z jednej strony, a zostawisz z drugiej.

Wniosek jest następujący: ciśnienie jest wielkością, która jest określona przez oddziaływanie cząsteczek, ale oddziaływanie to może być liczniejsze i mniej liczne. Im bardziej uderzasz w bok naczynia, tym wyższe jest ciśnienie. Ponadto, im większa jest prędkość cząsteczek uderzających w ściankę naczynia, tym większe jest ciśnienie wytwarzane przez gaz.

Zależność ciśnienie-objętość

Załóżmy, że mamy pewną masę oka, czyli pewną liczbę cząsteczek. W eksperymentach, którym się przyjrzymy, kwota ta nie zmienia się. Gaz znajduje się w cylindrze z tłokiem. Tłok może być przesuwany w górę i w dół. Góra cylindra jest otwarta, nakładamy na nią elastyczną folię gumową. Cząsteczki gazu uderzają o ścianki naczynia i folię. Gdy ciśnienie powietrza wewnątrz i na zewnątrz jest takie samo, folia jest płaska.

Jeśli przesuniemy tłok do góry, liczba cząsteczek pozostaje taka sama, ale odległość między nimi maleje. Będą poruszać się z tą samą prędkością, a ich masa nie ulegnie zmianie. Jednak liczba uderzeń będzie większa, ponieważ cząsteczka musi pokonać krótszy dystans, aby dotrzeć do ściany. Ciśnienie powinno wzrosnąć, a folia powinna wygiąć się na zewnątrz. W związku z tym wraz ze zmniejszaniem się objętości rośnie ciśnienie gazu, ale to przy założeniu, że masa gazu i temperatura pozostają bez zmian.

Jeśli przesuniemy tłok w dół, odległość między cząsteczkami wzrośnie, a tym samym czas potrzebny na dotarcie do ścianek cylindra i filmu. Wstrząsy stają się rzadsze. Gaz na zewnątrz butli ma wyższe ciśnienie niż gaz wewnątrz butli. W związku z tym folia będzie się wyginać do wewnątrz. Wniosek: ciśnienie jest wartością zależną od objętości.

Zależność ciśnienia od temperatury

Załóżmy, że mamy naczynie z gazem w niskiej temperaturze i mamy naczynie z tym samym gazem w tej samej ilości w wysokiej temperaturze. W każdej temperaturze ciśnienie gazu wynika ze zderzeń cząsteczek. Liczba cząsteczek gazu w obu naczyniach jest taka sama. Objętość jest taka sama, więc odległość między molekułami pozostaje taka sama.

Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej. W związku z tym wzrasta liczba i siła ich uderzeń w ścianę naczynia.

Poniższy eksperyment pomaga zweryfikować stwierdzenie, że wraz ze wzrostem temperatury gazu rośnie jego ciśnienie.

Weź butelkę z balonem na szyjce. Włóżmy go do pojemnika z ciepłej wody. Zobaczymy, że balonik się nadyma. Jeśli zmienimy wodę w pojemniku na zimną i włożymy do niego butelkę, balonik się opróżni, a nawet zwinie.