Тиск — це фізична величина, яку обчислюють так: ділять силу тиску на площу, на яку ця сила діє. Сила тиску визначається вагою. Будь-який фізичний об’єкт чинить тиск, тому що має хоч якусь вагу. У статті докладно розглянуто тиск у газах. На прикладах буде проілюстровано, від чого воно залежить і як змінюється.
Різниця механізмів тиску твердих, рідких і газоподібних речовин
Чим відрізняються рідини, тверді тіла і гази один від одного? У перших двох є обсяг. Тверді тіла зберігають свою форму. Газ, поміщений в посудину, займає все його простір. Це пов’язано з тим, що молекули газу практично не взаємодіють один з одним. Тому механізм тиску газу істотно відрізняється від механізму тиску рідин і твердих тел.
Опустимо гирю на стіл. Під дією сили тяжіння гиря продовжувала б рухатися вниз крізь стіл, але цього не відбувається. Чому? Тому що молекули столу наближаються до молекул, з яких зроблена гиря, відстань між ними зменшується настільки, що між частинками гирі і столу виникають сили відштовхування. У газах ситуація зовсім інша.
Тиск атмосфери
Перш ніж розглядати тиск газоподібних речовин, введемо поняття, без якого неможливі подальші пояснення, — атмосферний тиск. Це вплив, який надає навколишній нас повітря (атмосфера). Повітря нам тільки здається невагомим, насправді він має вагу, і щоб довести це, проведемо дослід.
Ми будемо зважувати повітря, що знаходиться в скляній посудині. Він надходить туди через гумову трубку в шийці. Видаляємо повітря з допомогою вакуумного насоса. Зважимо колбу без повітря, потім відкриємо кран, а коли повітря зайде, його вага додасться до ваги колби.
Тиск в посудині
Розберемося, як гази діють на стінки судин. Молекули газів практично одна з одною не взаємодіють, однак вони не розлітаються одна від одної. Значить, вони все-таки досягають стінок посудини, а потім повертаються. Коли молекула потрапляє в стінку, її удар діє на посудину з якоюсь силою. Ця сила короткочасна.
Інший приклад. Кинемо м’ячиком в аркуш картону, м’ячик відскочить, а картон трохи відхилиться. Замінимо м’ячик на пісок. Удари будуть маленькими, ми навіть їх не почуємо, але їх сила буде накопичуватися. Лист буде постійно відхилятися.
Тепер візьмемо самі маленькі частинки, наприклад частинки повітря, які є у нас в легенях. Дути на картонку, і вона відхилиться. Ми змушуємо молекули повітря ударятися про картон, в результаті на нього діє сила. Що це за сила? Це сила тиску.
Робимо висновок: тиск газу обумовлено ударами молекул газу об стінки посудини. Мікроскопічні сили, які діють на стінки, складаються, і ми отримуємо те, що називається силою тиску. Результат ділення сили на площу — це тиск.
Виникає питання: чому, якщо взяти аркуш картону в руку, він не відхиляється? Адже він знаходиться в газі, тобто в повітрі. Тому що удари молекул повітря з одного і з іншого боку аркуша врівноважують один одного. Як перевірити, чи дійсно молекули повітря вдаряються об стінку? Зробити це можна, якщо прибрати удари молекул з одного боку, наприклад відкачати повітря.
Експеримент
Є спеціальне пристосування — вакуумний насос. Це скляний ковпак на вакуумній тарілці. На ній є гумова прокладка, щоб між ковпаком і тарілкою не було щілини, щоб вони щільно прилягали один до одного. До вакуумній установці прикріплений манометр, що вимірює різницю тиску повітря зовні і під ковпаком. Кран дозволяє з’єднувати шланг, що йде до насоса, з простором під ковпаком.
Помістимо під ковпак злегка надута повітряна кулька. З-за того, що він трохи надутий, удари молекул всередині кулі і зовні його компенсуються. Накриємо кулька ковпаком, включимо вакуумний насос, відкриємо кран. На манометрі ми побачимо, що різниця між повітрям всередині і зовні зростає. А що ж повітряну кульку? Він збільшується в розмірі. Тиск, тобто удари молекул зовні кульки, стає все менше. Частинки повітря всередині кульки залишаються, порушується компенсація ударів зовні і зсередини. Обсяг кульки зростає із-за того, що силу тиску молекул повітря зовні частково бере на себе сила пружності гуми.
Тепер закриємо кран, вимкнемо насос, знову відкриємо кран, отсоединим шланг, щоб впустити повітря під ковпак. Кулька почне зменшуватися в розмірах. Коли різниця тиску зовні і під ковпаком буде дорівнює нулю, він стане такого ж розміру, яким був до початку експерименту. Цей досвід доводить, що побачити на власні очі тиск можна в тому випадку, якщо з одного боку більше, ніж з іншого, тобто якщо з одного боку газ прибрати, а з іншого-залишити.
Висновок такий: тиск — це величина, яка визначається ударами молекул, але удари можуть бути більш численними і менш численними. Чим більше ударів об стінки судини, тим більше тиск. Крім того, чим більше швидкість молекул, що вдаряються об стінки судини, тим більше тиск, вироблене цим газом.
Залежність тиску від об’єму
Припустимо, у нас є певна маса очі, то є певна кількість молекул. В ході дослідів, які ми будемо розглядати, це кількість не змінюється. Газ знаходиться в циліндрі з поршнем. Поршень можна переміщати вгору-вниз. Верхня частина циліндра відкрита, ми нанизуємо на неї пружну гумову плівку. Частинки газу вдаряються об стінки судини і плівку. Коли тиск повітря усередині і зовні однакову, плівка плоска.
Якщо перемістити поршень вгору, кількість молекул залишиться тим же, але відстань між ними зменшиться. Вони будуть рухатися з тими ж швидкостями, їх маса не зміниться. Однак кількість ударів стане більше, тому що молекулі потрібно пройти меншу відстань, щоб досягти стінки. В результаті тиск повинен збільшитися, а плівка – вигнутися назовні. Отже, із зменшенням об’єму тиск газу збільшується, але це за умови, що маса газу і температура залишаються незмінними.
Якщо перемістити поршень вниз, відстань між молекулами збільшиться, а отже, збільшиться і час, яке знадобиться, щоб досягти стінок циліндра і плівки. Удари стануть більш рідкісними. У газу, який знаходиться зовні, тиск вищий, ніж у того, що знаходиться всередині циліндра. Отже, плівка прогнеться всередину. Висновок: тиск — це величина, що залежить від обсягу.
Залежність тиску від температури
Припустимо, у нас є судина з газом при низькій температурі і є судина з газом в тій же кількості при високій температурі. При будь-якій температурі тиск газу обумовлено ударами молекул. Кількість молекул газу в обох судинах однаково. Обсяг один і той ж, значить, відстань між молекулами залишається тим же самим.
З ростом температури частинки починають рухатися швидше. Отже, збільшується і сила їх від ударів об стінки посудини.
Такий досвід допомагає переконатися в правильності твердження, що з підвищенням температури газу його тиск збільшується.
Візьмемо пляшку, шийку якої закрито повітряною кулькою. Помістимо її в ємність з гарячою водою. Ми побачимо, що кулька надувається. Якщо поміняти воду в ємності на холодну і помістити туди пляшку, то кулька буде здуватися і навіть втягнеться всередину.
