Налягането е... Налягане на газовете и връзката му с различни фактори

Налягането е физична величина, която се изчислява по следния начин: Разделете силата на натиск на площта, върху която действа силата. Силата на натиска се определя от теглото. Всеки физически обект упражнява натиск, защото има поне малко тегло. В тази статия ще разгледаме подробно налягането в газовете. Примерите ще илюстрират от какво зависи и как се променя.

Разликата в механизмите на налягане между твърди вещества, течности и газове

Как течностите, твърдите вещества и газовете се различават помежду си? Първите две имат обем. Твърдите тела запазват формата си. Газът в съда заема целия му обем. Това е така, защото молекулите на газа почти не взаимодействат помежду си. Следователно механизмът на налягането на газа е много различен от този на течностите и твърдите вещества.

Нека спуснем тежестта върху масата. Гравитацията би накарала тежестта да продължи да се движи надолу през масата, но тя не го прави. Защо? Тъй като молекулите на масата се доближават до молекулите, от които е изградена тежестта, разстоянието между тях е достатъчно малко, за да се създадат сили на отблъскване между частиците на тежестта и масата. Ситуацията в газовете е съвсем различна.

Атмосферно налягане

Преди да разгледаме налягането на газовете, ще въведем едно понятие, без което не е възможно по-нататъшно обяснение: атмосферно налягане. Това е въздействието на въздуха около нас (атмосферата). Въздухът само ни се струва безтегловен, но всъщност има тегло и за да докажем това, нека проведем експеримента.

Ще претеглим въздуха в стъклен съд. Той влиза там през гумена тръба в гърлото. Използване на вакуумна помпа за отстраняване на въздуха. Претеглете колбата без въздух, след това отворете клапана и когато въздухът влезе, теглото му се добавя към теглото на колбата.

Налягането в съда

Да разберем как газовете действат върху стените на съда. Газовите молекули на практика не взаимодействат помежду си, но и не се отдалечават една от друга. Така че те достигат до стените на съда и след това се връщат обратно. Когато една молекула се удари в стената, нейният удар действа върху съда с определена сила. Тази сила е краткотрайна.

Друг пример. Хвърлете топка към парче картон, топката ще отскочи, а картонът ще се отклони леко. Заменете топката с пясък. Ударът ще бъде малък, дори няма да го чуем, но силата му ще се натрупва. Листът ще се отклонява през цялото време.

Нека вземем най-малките частици, като частиците въздух, които имаме в белите си дробове. Ако духнете върху картона, той ще се отклони. Вкарваме молекули въздух в картона и в резултат на това върху него се упражнява сила. Каква е тази сила?? Това е сила на натиск.

Извод: налягането на газа се дължи на ударите на молекулите на газа в стената на съда. Микроскопичните сили, които действат върху стените, се сумират и се получава така наречената сила на натиск. Резултатът от разделянето на силата на площта е налягането.

Възниква въпросът защо, ако държите парчето картон в ръката си, то не се отклонява? Той е в газа, т.е. във въздуха. Защото въздействието на молекулите на въздуха от едната и от другата страна на листа се балансира. Как можем да проверим дали молекулите на въздуха наистина се удрят в стената?? Можете да направите това, като отнемете молекулите от едната страна, подобно на изпомпване на въздух.

Експериментът

Съществува специално устройство, наречено вакуумна помпа. Представлява стъклена обвивка върху вакуумна плоча. Върху него има гумено уплътнение, така че между капачката и плочата да няма празнина и те да пасват херметично. За вакуума устройството е прикрепено манометър, който измерва разликата в налягането на въздуха отвън и под камбаната. Кранът позволява маркучът към помпата да се свърже към пространството под купола.

Поставете леко надут балон под капака. Тъй като балонът е леко надут, молекулите в него и извън него се компенсират. Поставете балона в аспиратора, включете вакуумната помпа и отворете крана. На манометъра ще видим, че разликата между въздуха вътре и навън нараства. Какво ще кажете за балона? Тя се увеличава по размер. Налягането, т.е. молекулите, които се удрят във външната страна на балона, става все по-малко и по-малко. Въздушните частици в балона остават, има смущения в компенсирането на ударите отвън и отвътре. Обемът на балона нараства, защото силата на натиск на молекулите въздух отвън се поема частично от еластичната сила на гумата.

Сега затворете вентила, изключете помпата, отворете го отново, изключете маркуча и оставете въздуха да тече под камбаната. Балонът ще започне да намалява размера си. Когато разликата между наляганията извън и под камбаната е равна на нула, камбаната е със същия размер, както преди началото на експеримента. Този експеримент доказва, че налягането може да се види от пръв поглед, ако е по-голямо от едната страна, отколкото от другата, т.е от едната страна е по-голяма от тази на другата страна, t. е. ако от едната страна се отстрани газта, а от другата се остави.

Изводът е, че налягането е величина, която се определя от въздействието на молекулите, но въздействието може да бъде по-многобройно и по-слабо. Колкото повече налягането се удря в стената на съда, толкова по-високо е то. Освен това колкото по-висока е скоростта на молекулите, които се удрят в стените на съда, толкова по-високо е налягането, създавано от този газ.

Налягане спрямо обем

Да кажем, че имаме определена маса на окото, т.е. определен брой молекули. В експериментите, които ще разгледаме, тази сума не се променя. Газът се намира в цилиндъра заедно с буталото. Буталото може да се движи нагоре и надолу. Горната част на цилиндъра е отворена и върху нея поставяме еластичното гумено фолио. Газовите частици се удрят в стените на съда и филмът. Когато налягането на въздуха отвътре и отвън е еднакво, фолиото е плоско.

Ако преместите буталото нагоре, броят на молекулите остава същият, но разстоянието между тях намалява. Те ще се движат със същата скорост, а масата им няма да се промени. Броят на ударите обаче ще стане по-голям, защото молекулата трябва да измине по-кратко разстояние, за да достигне стената. Следователно налягането трябва да се увеличи и филмът да се огъне навън. Следователно с намаляването на обема налягането на газа се увеличава, но при условие че масата на газа и температурата остават непроменени.

Ако преместите буталото надолу, разстоянието между молекулите ще се увеличи, а с това и времето, за което те ще достигнат стените на цилиндъра и филма. Въздействието ще стане по-рядко. Газът извън бутилката е с по-високо налягане от този в нея. Вследствие на това филмът се отклонява навътре. Заключение: налягането е обемно зависима променлива.

Зависимост на налягането от температурата

Да предположим, че имаме съд с газ при ниска температура и съд със същото количество газ при висока температура. При всяка температура налягането на газа се дължи на въздействието на молекулите. Броят на газовите молекули в двата съда е еднакъв. Обемът е същият, така че разстоянието между молекулите остава същото.

С повишаването на температурата частиците се движат по-бързо. Вследствие на това броят и силата на ударите им в борда на кораба се увеличават.

Следващият експеримент помага да се провери твърдението, че с увеличаване на температурата на газа се увеличава и неговото налягане.

Помислете за бутилка с балон на гърлото. Поставете го в съд с.. с гореща вода. Ще видим, че балонът е надут. Ако смените водата в контейнера със студена и поставите бутилката там, балонът ще се издуе и дори ще се прибере вътре.