Налягането е физическа величина, която се изчислява по следния начин: разделете силата на натиск на площта, върху която действа тази сила. Силата на натиск се определя от теглото. Всеки физически обект упражнява натиск, защото има поне някаква тежест. Статията ще разгледа подробно налягането в газовете. Примерите ще илюстрират от какво зависи и как се променя.
Разликата в механизмите на налягане на твърди, течни и газообразни вещества
Каква е разликата между течности, твърди вещества и газове? Първите две имат обем. Твърдите тела запазват формата си. Газ, поставен в съд, заема цялото му пространство. Това се дължи на факта, че молекулите на газа практически не взаимодействат помежду си. Следователно механизмът на налягането на газа е значително различен от механизма на налягането на течности и твърди вещества.
Нека сложим тежестта на масата. Под въздействието на гравитацията тежестта ще продължи да се движи надолу през масата, но това не се случва. Защо? Защото молекулите на масата се приближават до молекулите отот които е направена тежестта, разстоянието между тях намалява толкова много, че между частиците на тежестта и масата възникват отблъскващи сили. При газовете ситуацията е съвсем различна.
Атмосферно налягане
Преди да разгледаме налягането на газообразните вещества, нека представим понятие, без което допълнителни обяснения са невъзможни - атмосферно налягане. Това е ефектът, който има въздухът (атмосферата) около нас. Въздухът само ни изглежда безтегловност, всъщност има тегло и за да докажем това, нека проведем експеримент.
Ще претеглим въздуха в стъклен съд. Там влиза през гумена тръба в шията. Отстранете въздуха с вакуумна помпа. Нека претеглим колбата без въздух, след това отворете крана и когато въздухът влезе, теглото й ще се добави към теглото на колбата.
Налягане в съда
Нека да разберем как газовете действат върху стените на съдовете. Газовите молекули практически не взаимодействат една с друга, но не се разпръскват една от друга. Това означава, че те все още достигат до стените на съда и след това се връщат. Когато една молекула се удари в стената, нейният удар действа върху съда с известна сила. Тази сила е краткотрайна.
Друг пример. Нека хвърлим топка върху лист картон, топката ще отскочи и картонът ще се отклони малко. Нека заменим топката с пясък. Въздействията ще са малки, дори няма да ги чуем, но силата им ще се натрупа. Листът постоянно ще бъде отхвърлян.
Сега да вземем най-малките частици, например въздушните частици, които имаме в белите си дробове. Духаме върху картона и той ще се отклони. Ние принуждавамемолекулите на въздуха удрят картона, в резултат на което върху него действа сила. Каква е тази сила? Това е силата на натиск.
Нека заключим: налягането на газа се причинява от удари на газови молекули върху стените на съда. Микроскопичните сили, които действат върху стените, се сумират и получаваме така наречената сила на натиск. Резултатът от разделянето на силата на площ е налягане.
Възниква въпросът: защо, ако вземете лист картон в ръката си, той не се отклонява? В крайна сметка той е в газа, тоест във въздуха. Защото ударите на въздушните молекули от едната и от другата страна на листа се балансират взаимно. Как да проверите дали въздушните молекули наистина удрят стената? Това може да стане чрез премахване на ударите на молекулите от едната страна, например чрез изпомпване на въздух.
Експеримент
Има специално устройство - вакуумна помпа. Това е стъклен буркан върху вакуумна чиния. Има гумено уплътнение, така че да няма празнина между капачката и плочата, така че да прилягат плътно един към друг. Към вакуумния модул е прикрепен манометър, който измерва разликата в налягането на въздуха отвън и под капака. Кранът позволява маркуча, водещ към помпата, да бъде свързан към пространството под капака.
Поставете леко надут балон под капачката. Поради факта, че е леко надута, ударите на молекулите вътре в топката и извън нея се компенсират. Покриваме топката с капачка, включваме вакуумната помпа, отваряме крана. На манометъра ще видим, че разликата между въздуха вътре и отвън нараства. Ами балон? Увеличава се по размер. Налягане, тоест въздействия на молекулиизвън топката, стават по-малки. Въздушните частици вътре в топката остават, компенсацията на ударите отвън и отвътре се нарушава. Обемът на топката нараства поради факта, че силата на натиск на въздушните молекули отвън се поема частично от еластичната сила на гумата.
Сега затворете крана, изключете помпата, отворете отново крана, разкачете маркуча, за да пуснете въздух под капачката. Топката ще започне да намалява по размер. Когато разликата в налягането отвън и под капачката е нула, тя ще бъде със същия размер, както е била преди началото на експеримента. Този опит доказва, че можете да видите налягането със собствените си очи, ако е по-голямо от едната страна, отколкото от другата, т.е. ако газът се отстранява от едната страна и се оставя от другата.
Изводът е следният: налягането е величина, която се определя от въздействията на молекулите, но въздействията могат да бъдат по-многобройни и по-малко многобройни. Колкото повече удари по стените на съда, толкова по-голямо е налягането. Освен това, колкото по-голяма е скоростта на молекулите, удрящи стените на съда, толкова по-голямо е налягането, произведено от този газ.
Зависимост на налягането от обема
Да кажем, че имаме определена маса на окото, тоест определен брой молекули. В хода на експериментите, които ще разгледаме, това количество не се променя. Газът е в цилиндър с бутало. Буталото може да се движи нагоре и надолу. Горната част на цилиндъра е отворена, върху нея ще поставим еластичен гумен филм. Газовите частици удрят стените на съда и филма. Когато налягането на въздуха отвътре и отвън е еднакво, филмът е плосък.
Ако преместите буталото нагоре,броят на молекулите ще остане същият, но разстоянието между тях ще намалее. Те ще се движат със същата скорост, масата им няма да се промени. Броят на попаденията обаче ще се увеличи, защото молекулата трябва да измине по-малко разстояние, за да стигне до стената. В резултат на това налягането трябва да се увеличи и филмът трябва да се огъне навън. Следователно, с намаляване на обема, налягането на газа се увеличава, но това е при условие, че масата на газа и температурата остават непроменени.
Ако преместите буталото надолу, разстоянието между молекулите ще се увеличи, което означава, че времето, необходимо за достигане до стените на цилиндъра и филма, също ще се увеличи. Попаденията ще стават по-редки. Газът отвън има по-високо налягане от този вътре в цилиндъра. Следователно филмът ще се огъне навътре. Заключение: налягането е величина, която зависи от обема.
Зависимост на налягането от температурата
Да предположим, че имаме съд с газ при ниска температура и съд със същия газ в същото количество при висока температура. При всяка температура налягането на газа се дължи на ударите на молекулите. Броят на газовите молекули в двата съда е еднакъв. Обемът е същият, така че разстоянието между молекулите остава същото.
С повишаване на температурата частиците започват да се движат по-бързо. Следователно броят и силата на ударите им върху стените на съда се увеличават.
Следният експеримент помага да се провери правилността на твърдението, че с повишаване на температурата на газа, неговото налягане се увеличава.
Вземетебутилка, чието гърло е затворено с балон. Поставете го в съд с гореща вода. Ще видим, че балонът е надут. Ако смените водата в контейнера със студена и поставите бутилка там, балонът ще се изпусне и дори ще бъде изтеглен.
