Давление - это... Давление в газах и его зависимость от разных факторов

Давление — это физическая величина, которую вычисляют так: делят силу давления на площадь, на которую эта сила воздействует. Сила давления определяется весом. Любой физический объект оказывает давление, потому что имеет хоть какой-то вес. В статье будет подробно рассмотрено давление в газах. На примерах будет проиллюстрировано, от чего оно зависит и как меняется.

Разница механизмов давления твердых, жидких и газообразных веществ

Чем отличаются жидкости, твердые тела и газы друг от друга? У первых двух есть объем. Твердые тела сохраняют свою форму. Газ, помещенный в сосуд, занимает все его пространство. Это связано с тем, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому механизм давления газа существенно отличается от механизма давления жидкостей и твердых тел.

Опустим гирю на стол. Под действием силы тяжести гиря продолжала бы двигаться вниз сквозь стол, но этого не происходит. Почему? Потому что молекулы стола приближаются к молекулам, из которых сделана гиря, расстояние между ними уменьшается настолько, что между частицами гири и стола возникают силы отталкивания. В газах ситуация совершенно иная.

Давление атмосферы

Прежде чем рассматривать давление газообразных веществ, введем понятие, без которого невозможны дальнейшие объяснения, — атмосферное давление. Это воздействие, которое оказывает окружающий нас воздух (атмосфера). Воздух нам только кажется невесомым, на самом деле он имеет вес, и чтобы доказать это, проведем опыт.

Мы будем взвешивать воздух, находящийся в стеклянном сосуде. Он поступает туда через резиновую трубку в горлышке. Удаляем воздух с помощью вакуумного насоса. Взвесим колбу без воздуха, потом откроем кран, а когда воздух зайдет, его вес добавится к весу колбы.

Давление в сосуде

Разберемся, как газы действуют на стенки сосудов. Молекулы газов практически друг с другом не взаимодействуют, однако они не разлетаются друг от друга. Значит, они все-таки достигают стенок сосуда, а потом возвращаются. Когда молекула попадает в стенку, ее удар действует на сосуд с какой-то силой. Эта сила кратковременна.

Другой пример. Бросим мячиком в лист картона, мячик отскочит, а картон немного отклонится. Заменим мячик на песок. Удары будут крошечными, мы даже их не услышим, но их сила будет накапливаться. Лист будет постоянно отклоняться.

Теперь возьмем самые маленькие частицы, например частицы воздуха, которые есть у нас в легких. Подуем на картонку, и она отклонится. Мы заставляем молекулы воздуха ударяться о картон, в результате на него действует сила. Что это за сила? Это сила давления.

Делаем вывод: давление газа обусловлено ударами молекул газа о стенки сосуда. Микроскопические силы, которые действуют на стенки, складываются, и мы получаем то, что называется силой давления. Результат деления силы на площадь — это давление.

Возникает вопрос: почему, если взять лист картона в руку, он не отклоняется? Ведь он находится в газе, то есть в воздухе. Потому что удары молекул воздуха с одной и с другой стороны листа друг друга уравновешивают. Как проверить, действительно ли молекулы воздуха ударяются о стенку? Сделать это можно, если убрать удары молекул с одной стороны, например откачать воздух.

Эксперимент

Есть специальное приспособление — вакуумный насос. Это стеклянный колпак на вакуумной тарелке. На ней есть резиновая прокладка, чтобы между колпаком и тарелкой не было щели, чтобы они герметично прилегали друг другу. К вакуумной установке прикреплен манометр, измеряющий разницу давления воздуха снаружи и под колпаком. Кран позволяет соединять шланг, идущий к насосу, с пространством под колпаком.

Поместим под колпак слегка надутый воздушный шарик. Из-за того, что он надут немного, удары молекул внутри шара и снаружи его компенсируются. Накроем шарик колпаком, включим вакуумный насос, откроем кран. На манометре мы увидим, что разница между воздухом внутри и снаружи растет. А что же воздушный шарик? Он увеличивается в размере. Давление, то есть удары молекул снаружи шарика, становится все меньше. Частицы воздуха внутри шарика остаются, нарушается компенсация ударов снаружи и изнутри. Объем шарика растет из-за того, что силу давления молекул воздуха снаружи частично берет на себя сила упругости резины.

Теперь закроем кран, выключим насос, снова откроем кран, отсоединим шланг, чтобы впустить воздух под колпак. Шарик начнет уменьшаться в размерах. Когда разница давлений снаружи и под колпаком будет равна нулю, он станет такого же размера, каким был до начала эксперимента. Этот опыт доказывает, что увидеть воочию давление можно в том случае, если с одной стороны оно больше, чем с другой, т. е. если с одной стороны газ убрать, а с другой оставить.

Вывод таков: давление — это величина, которая определяется ударами молекул, но удары могут быть более многочисленными и менее многочисленными. Чем больше ударов о стенки сосуда, тем больше давление. Кроме того, чем больше скорость молекул, ударяющихся о стенки сосуда, тем больше давление, производимое этим газом.

Зависимость давления от объема

Допустим, у нас есть определенная масса глаза, то есть определенное количество молекул. В ходе опытов, которые мы будем рассматривать, это количество не меняется. Газ находится в цилиндре с поршнем. Поршень можно перемещать вверх-вниз. Верхняя часть цилиндра открыта, мы наденем на нее упругую резиновую пленку. Частицы газа ударяются о стенки сосуда и пленку. Когда давление воздуха внутри и снаружи одинаковое, пленка плоская.

Если переместить поршень вверх, количество молекул останется тем же, но расстояние между ними уменьшится. Они будут двигаться с теми же скоростями, их масса не изменится. Однако количество ударов станет больше, потому что молекуле нужно пройти меньшее расстояние, чтобы достигнуть стенки. В результате давление должно увеличиться, а пленка - выгнуться наружу. Следовательно, с уменьшением объема давление газа увеличивается, но это при условии, что масса газа и температура остаются неизменными.

Если переместить поршень вниз, расстояние между молекулами увеличится, а значит, увеличится и время, которое им понадобится, чтобы достигнуть стенок цилиндра и пленки. Удары станут более редкими. У газа, который находится снаружи, давление выше, чем у того, который находится внутри цилиндра. Следовательно, пленка прогнется внутрь. Вывод: давление — это величина, зависящая от объема.

Зависимость давления от температуры

Предположим, у нас есть сосуд с газом при низкой температуре и есть сосуд с тем же газом в том же количестве при высокой температуре. При любой температуре давление газа обусловлено ударами молекул. Количество молекул газа в обоих сосудах одинаково. Объем один и тот же, значит, расстояние между молекулами остается тем же самым.

С ростом температуры частицы начинают двигаться быстрее. Следовательно, увеличивается число и сила их ударов о стенки сосуда.

Следующий опыт помогает убедиться в правильности утверждения, что с повышением температуры газа увеличивается его давление.

Возьмем бутылку, горлышко которой закрыто воздушным шариком. Поместим ее в емкость с горячей водой. Мы увидим, что шарик надувается. Если поменять воду в емкости на холодную и поместить туда бутылку, то шарик будет сдуваться и даже втянется внутрь.