Давление газа на стенки сосуда вызывается ударами молекул газа
В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Агрегатных состояния точно три?
На самом деле, есть еще четвертое – плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ – газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Давление газа
Мы только что выяснили, что молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.
Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, на каждый квадратный сантиметр за 1 с молекулами воздуха наносится столько ударов, что их количество выражается двадцати трехзначным числом.
Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул о стенки сосуда приводит к значительному давлению. Это как если бы один комар толкал машину, то она бы и не сдвинулась с места, а вот пару сотен миллионов комаров вполне себе способны эту машину сдвинуть.
Зависимость давления от других величин
Зависимость давления от объема
В механике есть формула давления, которая показывает: давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.
Давление
p = F/S
p – давление [Па]
F – сила [Н]
S – площадь [м^2]
То есть, если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы они толкали грузовой автомобиль (просто потому что легковая меньше грузовика).
Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за меньшей площади.
Давайте рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.
Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, по аналогичной схеме – потому что площадь меньше. Но если площадь основания меньше, то и объем меньше. Это значит, что давление будет зависеть от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление – и наоборот.
При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):
Такая зависимость называется законом Бойля-Мариотта.
Она экспериментально проверяется с помощью такой установки.
Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.
Зависимость давления от температуры
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Эти исследования были впервые произведены в Жаком Шарлем.
Газ нагревался в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Пренебрегая ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке.
Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, измеряли температуру газа по термометру, а соответствующее давление – по манометру.
Этот эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.
С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейно:
Эта зависимость называется законом Шарля.
Хранение и транспортировка газов
Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое, или когда газы необходимо длительно хранить – их помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.
Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.
Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или любым способом пытаться сделать в них отверстие, даже после использования.
Понимать и любить этот мир проще, когда разбираешься в физике. В этом помогут небезразличные и компетентные преподаватели онлайн-школы Skysmart.
Чтобы формулы и задачки ожили и стали более дружелюбными, на уроках мы разбираем примеры из обычной жизни современных подростков. Приходите на бесплатный вводный урок по физике и начните учиться в удовольствие уже завтра!
Источник
Содержание:
- § 1 Давление газа
- § 2 Как возникает давление в газе
- § 3 От чего зависит давление газа
- § 4 Краткие итоги по теме
§ 1 Давление газа
Известно, что все вещества состоят из молекул, между которыми есть расстояния. Межмолекулярные расстояния в газах настолько велики, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому газы обладают способностью занимать весь предоставленный объем. Например, стальной баллон для хранения газов, камера автомобильной шины или волейбольный мяч. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры или любого другого тела, в котором он находится. Чем же определяется давление газов?
Для молекул веществ характерно беспорядочное движение. В отличие от твердых тел, в которых молекулы могут совершать только колебательное движение около точек равновесия, молекулы газов движутся беспорядочно в самых разных направлениях. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул огромное количество, и число их ударов о стенки очень велико. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа.
Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
§ 2 Как возникает давление в газе
Рассмотрим следующий опыт.
Существует специальный прибор, который позволяет изменять плотность воздуха. Это воздушный насос, соединенный с прочным стеклянным герметично закрытым сосудом. Для примера возьмем завязанный воздушный шарик с небольшим количеством воздуха (рис. «а»), и поместим его в герметичный сосуд. Затем откачаем воздух из этого сосуда. При этом плотность воздуха в нем уменьшится, а внутри шарика плотность останется прежней. Шарик постепенно раздуется (рис. «б»).
Как объяснить результат этого опыта?
В нашем опыте первоначально плотность воздуха внутри воздушного шарика и снаружи была одинакова, следовательно, и число ударов молекул о стенки шарика с обеих сторон было равным по величине. Как только мы откачали воздух, число молекул снаружи шарика стало меньше, уменьшилось и число ударов о стенки, а значит, и давление воздуха приобрело меньшее значение. Но внутри воздушного шарика число молекул не изменяется. Следовательно, давление воздуха изнутри шарика будет больше, чем снаружи, и шарик увеличивается по всему объему равномерно. Этот опыт доказывает, что газ оказывает давление по всем направлениям одинаково из-за непрерывного беспорядочного движения его молекул.
§ 3 От чего зависит давление газа
Возьмем стеклянную трубку, один конец которой затянут резиновой пленкой и в трубку вставлен поршень. В трубке есть определенная масса воздуха. При вдвигании поршня мы заметим, что резиновая пленка выгибается наружу, а при выдвигании поршня – прогибается внутрь. Почему? При сжатии объем воздуха в шаре уменьшается, плотность воздуха становится больше, число ударов молекул о стенки сосуда увеличивается. Резиновая пленка выгибается до тех пор, пока сила давления воздуха в трубке не уравновесится силой упругости резиновой пленки. Если же поршень выдвигаем, то объем воздуха увеличивается, давление на стенки сосуда уменьшается и резиновая пленка прогибается внутрь.
Итак, при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.
Давайте подумаем, зависит ли давление газа от его температуры? При нагревании скорость движения молекул увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы чаще ударяются о стенки сосуда. Надо учесть, что и сила удара при этом будет больше. Значит, давление газа тем больше, чем выше его температура, при условии, что масса и объем газа остаются неизменными.
Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.
Зависимость давления газа от объема и температуры нужно учитывать при хранении и транспортировке газов. Давление сжатого газа велико, поэтому его заключают в специальные, очень прочные баллоны. В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, кислород, используемый при сварке металлов, газ, используемый в быту для приготовления пищи. Нельзя нагревать баллоны с газом, нельзя их ронять, изменение давления газа может привести к их взрыву.
§ 4 Краткие итоги по теме
Давление газа на стенки сосуда, на помещенное в газ тело определяется ударами молекул газа. Причина давления газа – непрерывное и беспорядочное движение молекул во всех направлениях, столкновения со стенками сосуда и поверхностью помещенных в газ тел.
Давление газа зависит:
1.от массы газа (чем больше масса газа, тем больше число молекул и больше ударов о стенки сосуда, тем больше давление газа на стенки сосуда);
2.от рода газа (масса молекул разных газов различна, чем больше масса молекулы, тем больше сила удара молекулы о стенки сосуда, больше давление);
3.от объема газа (чем меньше объем, тем больше плотность газа, тем больше давление);
4.от температуры газа (чем выше температура, тем больше скорость движения и сила удара молекул, тем больше давление газа).
Список использованной литературы:
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
- Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
- Кирик Л.А. Физика – 7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. М.: Илекса, 2008. – 192 с.
- Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 кл./Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
- Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
- Перышкин А.В. Физика. 7 класс. – М.: Дрофа, 2011.
- Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
- Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября”, 2002. – 272 с.
Использованные изображения:
Источник