Tlak je... Tlak v plynech a jeho závislost na různých faktorech

Tlak je fyzická veličina, která se vypočítá takto: vydělte tlakovou sílu oblastí, na kterou tato síla působí. Tlaková síla je určena hmotností. Jakýkoli fyzický objekt vyvíjí tlak, protože má alespoň nějakou váhu. Článek podrobně prozkoumá tlak v plynech. Příklady ilustrují, na čem závisí a jak se mění.

Rozdíl tlakových mechanismů pevných, kapalných a plynných látek

Jak se liší kapaliny, pevné látky a plyny od sebe? První dva mají objem. Pevné látky si zachovávají svůj tvar. Plyn umístěný v nádobě zabírá celý její prostor. To je způsobeno molekulami plynu s malou nebo žádnou vzájemnou interakcí. Mechanismus tlaku plynu se proto výrazně liší od mechanismu tlaku kapalin a pevných látek.

Položte konvici na stůl. Pod vlivem gravitace by kettlebell pokračoval v pohybu dolů přes stůl, ale to se nestane. Proč? Protože molekuly stolu se přibližují molekulám, ze kterých je kettlebell vyroben, vzdálenost mezi nimi se zmenšuje natolik, že mezi částicemi kettlebell a stolu vznikají odpudivé síly. V plynech je situace úplně jiná.

Tlak atmosféry

Před zvážením tlaku plynných látek představíme koncept, bez kterého není možné další vysvětlení-atmosférický tlak. Je to dopad, který má vzduch kolem nás (atmosféra). Vzduch se nám zdá jen beztížný, ve skutečnosti má váhu a abychom to dokázali, provedeme zkušenost.

Budeme vážit vzduch umístěný ve skleněné nádobě. Vstupuje tam gumovou trubicí v krku. Odstraňte vzduch pomocí vakuové pumpy. Vážíme baňku bez vzduchu, pak otevřeme kohoutek a když vzduch zapadne, jeho hmotnost se přidá k hmotnosti baňky.

Tlak v nádobě

Pochopíme, jak plyny působí na stěny cév. Molekuly plynů spolu prakticky neinteragují, ale navzájem se nelétají. Takže se stále dostanou ke stěnám nádoby a pak se vrátí. Když molekula zasáhne zeď, její náraz působí na nádobu nějakou silou. Tato síla je krátkodobá.

Další příklad. Hodíme míč na list lepenky, míč se odrazí a lepenka se mírně vychýlí. Vyměňte míč za písek. Údery budou malé, ani je neslyšíme, ale jejich síla se bude hromadit. List bude neustále odmítán.

Nyní vezměte nejmenší částice, například částice vzduchu, které máme v plicích. Podáváme na karton a to se odchýlí. Způsobujeme, že molekuly vzduchu narazí na lepenku, v důsledku toho na ni působí síla. Co je to síla? Je to tlaková síla.

Závěr: tlak plynu je způsoben dopadem molekul plynu na stěny nádoby. Mikroskopické síly, které působí na stěny, se sčítají a dostáváme to, co se nazývá tlaková síla. Výsledkem rozdělení síly na plochu je tlak.

Vyvstává otázka: proč, když vezmete list lepenky do ruky, neodchyluje se? Koneckonců, je v plynu, to znamená ve vzduchu. Protože dopady molekul vzduchu na jednu a druhou stranu listu se navzájem vyrovnávají. Jak zkontrolovat, zda molekuly vzduchu skutečně zasáhly zeď? To lze provést odstraněním nárazů molekul na jedné straně, například čerpáním vzduchu.

Experiment

K dispozici je speciální zařízení — vakuové čerpadlo. Je to skleněná čepice na vakuové desce. Má gumové těsnění, takže mezi víčkem a talířem není žádná štěrbina, Aby se navzájem utěsnily. K vakuu instalace připojena manometr, který měří rozdíl tlaku vzduchu venku a pod kapotou. Kohoutek umožňuje připojení hadice vedoucí k čerpadlu s prostorem pod krytem.

Pod kapotu umístíme mírně nafouknutý balón. Protože je trochu nafouknutý, nárazy molekul uvnitř a vně koule jsou kompenzovány. Zakryjte kuličku čepičkou, zapněte vakuovou pumpu, otevřete kohoutek. Na manometru uvidíme, že rozdíl mezi vzduchem uvnitř a vně roste. A co balón? Zvyšuje se ve velikosti. Tlaky, tj. Částice vzduchu uvnitř koule zůstávají, kompenzace nárazů zvenčí i zevnitř je narušena. Objem koule roste, protože tlaková síla molekul vzduchu venku částečně přebírá elastickou sílu gumy.

Nyní zavřete kohoutek, vypněte čerpadlo, znovu otevřete kohoutek, odpojte hadici, aby se vzduch dostal pod kryt. Míč se začne zmenšovat. Když je tlakový rozdíl venku a pod kapotou nulový, bude mít stejnou velikost, jakou měl před zahájením experimentu. Tato zkušenost dokazuje, že tlak lze vidět z první ruky, pokud jedné straně je větší než druhý, t. e. pokud je plyn na jedné straně odstraněn a na druhé straně ponechán.

Závěr je následující: tlak je množství, které je určeno nárazy molekul, ale nárazy mohou být početnější a méně početné. Čím více nárazů na stěny nádoby, tím větší tlak. Čím větší je rychlost molekul dopadajících na stěny nádoby, tím větší je tlak produkovaný tímto plynem.

Závislost tlaku na objemu

Řekněme, že máme určitou hmotnost oka, tj. V průběhu experimentů, které budeme zvažovat, se toto množství nemění. Plyn je ve válci s pístem. Píst lze pohybovat nahoru a dolů. Horní část válce je otevřená, položíme na ni elastickou gumovou fólii. Částice plynu dopadají na stěny nádoby a film. Když je tlak vzduchu uvnitř i vně stejný, film je plochý.

Posunutím pístu nahoru zůstane počet molekul stejný, ale vzdálenost mezi nimi se zmenší. Budou se pohybovat stejnými rychlostmi, jejich hmotnost se nezmění. Počet úderů se však zvětší, protože molekula musí cestovat kratší vzdálenost, aby dosáhla stěny. V důsledku toho by se tlak měl zvýšit a film by se měl ohýbat směrem ven. S klesajícím objemem se tedy tlak plynu zvyšuje, ale to za předpokladu, že hmotnost plynu a teplota zůstávají nezměněny.

Posunutím pístu dolů se vzdálenost mezi molekulami zvětší, což znamená, že se také zvýší doba, kterou budou potřebovat k dosažení stěn válce a filmu. Stávky budou vzácnější. Plyn, který je venku, má vyšší tlak než tlak uvnitř válce. Proto se film ohne dovnitř. Závěr: tlak je množství závislé na objemu.

Závislost tlaku na teplotě

Předpokládejme, že máme nádobu s plynem při nízké teplotě a máme nádobu se stejným plynem ve stejném množství při vysoké teplotě. Při jakékoli teplotě je tlak plynu způsoben nárazy molekul. Počet molekul plynu v obou nádobách je stejný. Objem je stejný, takže vzdálenost mezi molekulami zůstává stejná.

S rostoucí teplotou se částice začínají pohybovat rychleji. Proto se zvyšuje počet a síla jejich dopadů na stěny nádoby.

Následující zkušenost pomáhá zajistit správnost tvrzení, že s rostoucí teplotou plynu se zvyšuje jeho tlak.

Vezměte láhev, jejíž hrdlo je uzavřeno balónkem. Dáme ji do nádoby s horkou vodou. Uvidíme, jak se balón nafoukne. Pokud změníte vodu v nádobě za studena a umístíte tam láhev, míč se odfoukne a dokonce se vtáhne dovnitř.