Шкільна енциклопедія Тиск газу на стінку судини Закріплення пройденого матеріалу на уроці

Де б не знаходився газ: у повітряній кулі, автомобільній шині, або металевому балоні - він заповнює собою весь об'єм судини, в якій знаходиться.

Тиск газу виникає зовсім з іншої причини, ніж тиск твердого тіла. Воно утворюється в результаті ударів молекул об стінки судини.

Тиск газу на стінки судини

Рухаючись хаотично у просторі, молекули газу зіштовхуються між собою та зі стінками судини, в якій знаходяться. Сила удару однієї молекули мала. Але оскільки молекул дуже багато, і вони стикаються з великою частотою, то, діючи спільно на стінки судини, вони створюють значний тиск. Якщо в газ поміщено тверде тіло, воно також піддається ударам молекул газу.

Проведемо нескладний досвід. Під дзвін повітряного насоса помістимо зав'язану повітряну кульку, яка не повністю наповнена повітрям. Так як повітря в ньому мало, кулька має неправильну форму. Коли ж ми почнемо відкачувати повітря з-під дзвона, кулька буде роздуватися. Через деякий час він набуде форми правильної кулі.

Що ж сталося з нашою кулькою? Адже він був зав'язаний, отже, кількість повітря в ньому залишилося незмінним.

Все пояснюється просто. Під час руху молекули газу стикаються з оболонкою кульки зовні та всередині неї. Якщо повітря відкачується зі дзвону, молекул стає менше. Зменшується щільність, а значить і частота ударів молекул про зовнішню оболонку також зменшується. Отже, тиск зовні оболонки падає. Оскільки всередині оболонки число молекул залишилося тим самим, то внутрішній тиск перевищує зовнішнє. Газ давить зсередини на оболонку. І з цієї причини вона поступово роздмухується і набуває форми кулі.

Закон Паскаля для газів

Молекули газу дуже рухливі. Завдяки цьому тиск вони передають у напрямі дії сили, що викликає цей тиск, а й рівномірно в усіх напрямах. Закон про передачу тиску сформулював французький вчений Блез Паскаль: « Тиск, що виробляється на газ або рідину, передається без змін до будь-якої точки по всіх напрямках.». Цей закон називають основним законом гідростатики - науки про рідину та газ у стані рівноваги.

Закон Паскаля підтверджується досвідом із приладом, який називають кулею Паскаля . Цей прилад є куля з твердої речовини з проробленими в ньому крихітними отворами, з'єднана з циліндром, по якому рухається поршень. Куля заповнюється димом. При стисканні поршнем дим виштовхується з отворів кулі однаковими цівками.

Тиск газу обчислюють за такою формулою:

де е lin - середня кінетична енергія поступального руху молекул газу;

n - Концентрація молекул

Парціальний тиск. Закон Дальтона

На практиці найчастіше нам доводиться зустрічатися не з чистими газами, а з їх сумішами. Ми дихаємо повітрям, яке є сумішшю газів. Вихлопні гази автомобілів – теж суміш. При зварюванні вже давно не використовується чистий вуглекислий газ. Замість нього використовують газові суміші.

Газовою сумішшю називають суміш газів, які не вступають у хімічні реакції між собою.

Тиск окремого компонента газової суміші називається парціальним тиском .

Якщо припустити, що всі гази суміші є ідеальними газами, то тиск суміші визначається законом Дальтона: «Тиск суміші ідеальних газів, що не взаємодіють хімічно, дорівнює сумі парціальних тисків».

Його величина визначається за такою формулою:

Кожен газ у суміші створює парціальний тиск. Його температура дорівнює температурі суміші.

Тиск газу можна змінити, змінюючи його густину. Чим більше газу буде закачано в металевий балон, тим більше в ньому буде молекул, що ударяються об стінки, і тим вище його тиск. Відповідно, відкачуючи газ, ми розріжаємо його, і тиск знижується.

Але тиск газу також можна змінити, змінивши його обсяг або температуру, тобто стиснувши газ. Стиснення проводять, впливаючи силою на газоподібне тіло. В результаті такого впливу зменшується об'єм, що займає ним, підвищується тиск і температура.

Газ стискається в циліндрі двигуна під час руху поршня. На виробництві високий тиск газу створюють, стискаючи його за допомогою складних пристроїв - компресорів, здатних створити тиск до кількох тисяч атмосфер.

Поведінка молекул атмосфери Атмосфера складається з газів, а чому молекули не відлітають у світовий простір? Атмосфера складається із газів, а чому молекули не відлітають у світовий простір? Як і всі тіла, молекули газів, що входять до складу повітряної оболонки Землі, притягуються до Землі. Як і всі тіла, молекули газів, що входять до складу повітряної оболонки Землі, притягуються до Землі. Щоб залишити Землю, вони повинні мати швидкість не менше 11,2 км/с, це друга космічна швидкість. Більшість молекул мають швидкість меншу за 11,2 км/с. Щоб залишити Землю, вони повинні мати швидкість не менше 11,2 км/с, це друга космічна швидкість. Більшість молекул мають швидкість меншу за 11,2 км/с. А чому атмосфера не осідає на Землі? А чому атмосфера не осідає на Землі? Молекули газів, що становлять атмосферу, рухаються безперервно і безладно. Молекули газів, що становлять атмосферу, рухаються безперервно і безладно.

Під впливом сили тяжіння верхні шари повітря атмосфери стискають нижні. Під впливом сили тяжіння верхні шари повітря атмосфери стискають нижні. Прилеглий до Землі шар стиснутий найбільше. Прилеглий до Землі шар стиснутий найбільше. Земна поверхня і тіла на ній зазнають тиску всієї товщі повітря (за законом Паскаля) -атмосферний тиск. Земна поверхня і тіла на ній зазнають тиску всієї товщі повітря (за законом Паскаля) -атмосферний тиск.

Історичний факт Вперше вагомість повітря збентежила 1638 року, коли не вдалося затія герцога Тосканського прикрасити сади Флоренції фонтанами - вода не піднімалася вище 10,3м. Вперше вагомість повітря збентежила 1638 року, коли не вдалося затія герцога Тосканського прикрасити сади Флоренції фонтанами - вода не піднімалася вище 10,3м. Пошуки причин упертості води та досліди з більш важкою рідиною - ртуттю, зроблені в 1643р. Торрічеллі призвели до відкриття атмосферного тиску. Пошуки причин упертості води та досліди з більш важкою рідиною - ртуттю, зроблені в 1643р. Торрічеллі призвели до відкриття атмосферного тиску.

Досвід Отто фон Геріке В 1654 магдебурзький бургомістр і фізик Отто фон Геріке показав на рейхстагу в Регенсбурзі один досвід, який тепер у всьому світі називають досвідом з магдебурзькими півкулями. В 1654 магдебурзький бургомістр і фізик Отто фон Геріке показав на рейхстагу в Регенсбурзі один досвід, який тепер у всьому світі називають досвідом з магдебурзькими півкулями.

Атмосферний тиск і людина Атмосферний тиск не відчувається людиною та тваринами. Атмосферний тиск не відчувається людиною та тваринами. Тканини, кров'яні судини та стінки інших порожнин тіла піддаються зовнішньому тиску атмосфери. Тканини, кров'яні судини та стінки інших порожнин тіла піддаються зовнішньому тиску атмосфери. Кров та інші рідини та гази, що заповнюють ці порожнини, чинять зсередини такий самий тиск. Кров та інші рідини та гази, що заповнюють ці порожнини, чинять зсередини такий самий тиск.

Механізм вдиху полягає в наступному: м'язовим зусиллям ми збільшуємо об'єм грудної клітини, при цьому тиск повітря всередині легень стає меншим за атмосферний, і атмосферний тиск вштовхує порцію повітря в область меншого тиску. Механізм вдиху полягає в наступному: м'язовим зусиллям ми збільшуємо об'єм грудної клітини, при цьому тиск повітря всередині легень стає меншим за атмосферний, і атмосферний тиск вштовхує порцію повітря в область меншого тиску. Як відбувається видих? Як відбувається видих?

Домашнє завдання Цікава інформація на сайті Класна фізика Можна відповісти на запитання на окрему оцінку Цікава інформація на сайті Класна фізика Можна відповісти на питання на окрему оцінку §40 §40 Заповнити картку Заповнити картку Виконати та пояснити письмово один із дослідів Виконати та пояснити письмово один із дослідів

Чому пасажирам літаків перед підйомом рекомендується видалити чорнило з авторучок? Чому пасажирам літаків перед підйомом рекомендується видалити чорнило з авторучок? Як скляну трубочку набрати воду? Як скляну трубочку набрати воду? Навіщо в кришках бідонів для мастил роблять не один, а два отвори? Навіщо в кришках бідонів для мастил роблять не один, а два отвори? Навіщо у кришці порцелянового чайника роблять отвір? Навіщо у кришці порцелянового чайника роблять отвір? Чому важко витягнути ноги, що загрузли в розмоклій глині? Чому важко витягнути ноги, що загрузли в розмоклій глині? Кому легше ходити по бруду? Коні, що має суцільне копито, дуже важко витягнути ногу з глибокого бруду. Під ногою, коли вона її піднімає, утворюється розріджений простір і атмосферний тиск перешкоджає витягу ноги. У цьому випадку нога працює як поршень у циліндрі. Коні, що має суцільне копито, дуже важко витягнути ногу з глибокого бруду. Під ногою, коли вона її піднімає, утворюється розріджений простір і атмосферний тиск перешкоджає витягу ноги. У цьому випадку нога працює як поршень у циліндрі. Зовнішній, величезний порівняно з атмосферним тиском, що виник, не дає підняти ногу. При цьому сила тиску на ногу може досягати 1000 Н. Зовнішнє, величезне порівняно з атмосферним тиском, що виникло, не дає підняти ногу. При цьому сила тиску на ногу може досягати 1000 Н. Набагато легше пересуватися по такому бруду жуйним тваринам, у яких копита складаються з декількох частин і при витягуванні ноги з бруду стискаються, пропускаючи повітря в поглиблення, що утворилося. Набагато легше пересуватися по такому бруду жуйним тваринам, у яких копита складаються з декількох частин і при витягуванні ноги з бруду стискаються, пропускаючи повітря в поглиблення, що утворилося.

Атмосферний тиск та погода Атмосферний тиск допомагає передбачати погоду, що необхідно людям різних професій – льотчикам, агрономам, радистам, полярникам, медикам, вченим. Якщо атмосферний тиск підвищується, то погода буде гарною: холодною – взимку, спекотною – влітку; якщо різко падає, можна очікувати появи хмарності, насичення повітря вологою. Зниження тиску влітку віщує похолодання, взимку – потепління. Атмосферний тиск допомагає передбачати погоду, що необхідно людям різних професій – льотчикам, агрономам, радистам, полярникам, медикам, вченим. Якщо атмосферний тиск підвищується, то погода буде гарною: холодною – взимку, спекотною – влітку; якщо різко падає, можна очікувати появи хмарності, насичення повітря вологою. Зниження тиску влітку віщує похолодання, взимку – потепління. Атмосферний тиск збільшується, якщо відбуватимуться переміщення мас повітря донизу (низхідні потоки). Опускається з висот сухе повітря, тому погода буде хорошою, без опадів. Знижується атмосферний тиск при висхідних потоках повітря. Вгору піднімається повітря, рясно насичене водяними парами. Вгорі він охолоджується, що призводить до появи хмарності, випадання опадів – погода при цьому погіршується. Атмосферний тиск збільшується, якщо відбуватимуться переміщення мас повітря донизу (низхідні потоки). Опускається з висот сухе повітря, тому погода буде хорошою, без опадів. Знижується атмосферний тиск при висхідних потоках повітря. Вгору піднімається повітря, рясно насичене водяними парами. Вгорі він охолоджується, що призводить до появи хмарності, випадання опадів – погода при цьому погіршується.

Що сталося на Землі, якби повітряна атмосфера раптом зникла? на Землі встановилася б температура приблизно З на Землі встановилася б температура приблизно З замерзли б усі водні простори, а суша покрилася б крижаною корою замерзли б усі водні простори, а суша вкрилася б крижаною корою настала б повна тиша, оскільки звук у порожнечі не поширюється настала б повна тиша, тому що звук у порожнечі не поширюється, небо стало б чорним, оскільки забарвлення небесного склепіння залежить від повітря; не стало б сутінків, зоря, білих ночей небо стало б чорним, оскільки забарвлення небесного склепіння залежить від повітря; не стало б сутінків, зоря, білих ночей припинилося б мерехтіння зірок, а самі зірки були б видні не тільки вночі, а й вдень (вдень ми їх не бачимо через розсіювання частинками повітря сонячного світла) припинилося б мерехтіння зірок, а самі зірки були б видні не лише вночі, а й вдень (вдень ми їх не бачимо через розсіювання частинками повітря сонячного світла) загинули б тварини та рослини загинули б тварини та рослини

При виведенні рівняння стану ідеального газу вважатимемо молекули маленькими твердими кулями, укладеними в ящик об'ємом V(Рис. 8.2) . Припущення про тверді кулі означає, що між молекулами відбуваються пружні зіткнення. Розглянемо спочатку одну таку молекулу, що відбивається від лівої стінки ящика. Середня сила, що діє на стінку протягом часу, дорівнює

Внаслідок зіткнення імпульс змінюється на величину

Оскільки час між зіткненнями молекули з цією стінкою

то на стінку з боку однієї молекули діє середня сила

Мал. 8.2 Частка в посудині об'ємом lS після відбиття від лівої стінки

Повна сила, з якою все Nмолекул у ящику діють на стінку, дається виразом

де - усереднений по всіх частинках квадрат швидкості.

Ця величина прийнято називати середньоквадратичною швидкістю у напрямку осі X. Розділивши обидві частини цього співвідношення на площу стінки S, отримаємо тиск

Замінимо S lна обсяг V; тоді

Вже звідси видно, що для цієї кількості газу витвір pVзалишається постійним за умови, що кінетична енергія частинок зберігається без зміни. Праву частину формули (8.16) можна записати через . Справді,

Оскільки молекули абсолютно однаково відбиваються від усіх шести граней, то

Підставимо тепер в (8.16) замість величину:

Ми будемо визначати абсолютну температуру як величину, прямо пропорційну до середньої кінетичної енергії молекул у посудині:

(Визначення температури), де - середня кінетична енергія, що припадає на одну частинку.

Коефіцієнт пропорційності (2 / 3k) являє собою константу. Значення постійної k (постійної Больцмана) залежить від вибору шкали температури. Один із способів вибору шкали заснований на тому, що інтервал температур між точками кипіння та замерзання води при нормальному тиску належить рівним 100 градусам (=100 До). Τᴀᴋᴎᴍᴋᴈᴈᴏᴍ, величина kвизначається шляхом вимірювання властивостей води. Експериментально знайдено, що

(постійна Больцмана). Якщо за допомогою (8.18) виключити величину з (8.17), то отримаємо

(рівняння стану ідеального газу).

Τᴀᴋᴎᴎᴩᴀᴈᴏᴍ, застосувавши рівняння ньютонівської механіки до окремих молекул, тобто використовувавши їх на мікроскопічному рівні, ми запровадили важливе співвідношення між макроскопічними величинами p, Vі T(порівн.
Розміщено на реф.
(8.20) з (8.7)).

Зважаючи на рівність (8.20), рівняння стану ідеального газу можна переписати у вигляді

де nє концентрація молекул. Так як для одноатомного газу середня кінетична енергія збігається із середньою енергією поступального руху, рівняння (8.21) представимо як

Добуток дає сумарну енергію поступального руху nмолекул. Τᴀᴋᴎᴍᴀᴈᴏᴍ, тиск дорівнює двом третинам енергії поступального руху молекул, що містяться в одиниці об'єму газу.

Ми вже говорили (§ 220), що гази завжди повністю заповнюють об'єм, обмежений непроникними для газу стінками. Так, наприклад, сталевий балон, що вживається в техніці для зберігання стислих газів (рис. 375), або камера автомобільної шини повністю і практично рівномірно заповнені газом.

Мал. 375. Сталевий балон для зберігання стиснених газів

Прагнучи розширитися, газ тиск на стінки балона, камери шини або будь-якого іншого тіла, твердого або рідкого, з яким він стикається. Якщо не брати до уваги дії поля тяжкості Землі, яке при звичайних розмірах судин лише мізерно змінює тиск, то при рівновазі тиск газу в посудині є абсолютно рівномірним. Це зауваження стосується макросвіту. Якщо ж уявити, що відбувається в мікросвіті молекул, що становлять газ у посудині, то ні про який рівномірний розподіл тиску не може бути й мови. В одних місцях поверхні стінок молекули газу б'ють про них, тоді як в інших місцях удари відсутні; ця картина постійно безладно змінюється.

Допустимо для простоти, що всі молекули до удару об стінку летять з однаковою швидкістю, спрямованої нормалі до стінки. Будемо також вважати удар абсолютно пружним. За цих умов швидкість молекули при ударі змінюватиме напрямок на зворотний, залишаючись незмінною по модулю. Отже, швидкість молекули після удару дорівнюватиме . Відповідно імпульс молекули до удару дорівнює , а після удару він дорівнює (- Маса молекули). Віднімаючи з кінцевого значення імпульсу його початкове значення, знайдемо приріст імпульсу молекули, що повідомляється стінкою. Воно одно. Згідно з третім законом Ньютона стінці повідомляється при ударі імпульс, що дорівнює .

Якщо за одиницю часу на одиницю площі стінки припадає ударів, то за час об ділянку поверхні стінки ударяють молекул. Молекули повідомляють ділянці під час сумарний імпульс, рівний по модулю . У силу другого закону Ньютона цей імпульс дорівнює добутку сили, що діє на ділянку, на якийсь час. Таким чином,

Звідки.

Розділивши силу на площу ділянки стінки, отримаємо тиск газу на стінку:

Неважко збагнути, що кількість ударів в одиницю часу залежить від швидкості молекул, бо чим швидше вони летять, тим частіше ударяються об стінку, і від числа молекул в одиниці об'єму, бо чим більше молекул, тим більше і число ударів, що завдаються. Отже, вважатимуться, що пропорційно і , т. е. пропорційно

Для того, щоб розрахувати за допомогою молекулярної теорії тиск газу, ми повинні знати наступні характеристики мікросвіту молекул: масу, швидкість і число молекул в одиниці об'єму. Для того щоб знайти ці мікрохарактеристики молекул, ми повинні встановити від яких характеристик макросвіту залежить тиск газу, тобто встановити на досвіді закони газового тиску. Порівнявши ці дослідні закони із законами, розрахованими за допомогою молекулярної теорії, ми матимемо можливість визначити характеристики мікросвіту, наприклад швидкості газових молекул.

Отже, встановимо, від чого залежить тиск газу?

По-перше, тиск залежить від ступеня стиснення газу, тобто від того, скільки молекул газу знаходиться в даному обсязі. Наприклад, нагнітаючи в автомобільну шину все більше повітря або стискаючи (зменшуючи обсяг ) закриту камеру, ми змушуємо газ дедалі сильніше тиснути на стінки камери.

По-друге, тиск залежить від температури газу. Відомо, наприклад, що м'яч стає пружнішим, якщо його потримати поблизу нагрітої печі.

Зазвичай зміна тиску викликається обома причинами відразу: зміною обсягу, і зміною температури. Але можна здійснити процес так, що при зміні обсягу температура змінюватиметься мізерно мало або при зміні температури обсяг практично залишиться незмінним. Цими випадками ми спершу і займемося, зробивши заздалегідь наступне зауваження. Ми розглядатимемо газ у стані рівноваги. Це означає, що у газі встановилося як механічне, і теплове рівновагу.

Механічне рівновагу означає, що немає руху окремих частин газу. Для цього необхідно, щоб тиск газу був у всіх його частинах однаковий, якщо знехтувати незначною різницею тиску у верхніх та нижніх шарах газу, що виникає під дією сили тяжіння.

Теплова рівновага означає, що не відбувається передачі теплоти від однієї ділянки газу до іншої. Для цього необхідно, щоб температура у всьому обсязі газу була однакова.

ВИЗНАЧЕННЯ

Тиску посудині з газом створюється ударами молекул про його стінку.

Внаслідок теплового руху частки газу іноді ударяються об стінки судини (рис.1, а). При кожному ударі молекули діють стінку судини з деякою силою. Складаючись один одним, сили ударів окремих частинок утворюють деяку силу тиску, що постійно діє на стінку судини. Молекули газу при зіткненнях зі стінками судини взаємодіють із за законами механіки як пружні тіла і передають свої імпульси стінкам судини (рис.1,б).

Рис.1. Тиск газу на стінку судини: а) виникнення тиску внаслідок ударів об стінку частинок, що хаотично рухаються; б) сила тиску як наслідок пружного удару частинок.

На практиці найчастіше мають справу не з чистим газом, а із сумішшю газів. Наприклад, атмосферне повітря є сумішшю азоту, кисню, вуглекислого газу, водню та інших газів. Кожен із газів, що входять до складу суміші, робить свій внесок у сумарний тиск, який чинить суміш газів на стінки судини.

Для газової суміші справедливе закон Дальтона:

тиск газової суміші дорівнює сумі парціальних тисків кожного компонента суміші:

ВИЗНАЧЕННЯ

Парціальний тиск- тиск, який займав би газ, що входить до складу газової суміші, якби він один займав обсяг, рівний обсягу суміші при даній температурі (рис.2).

Рис.2. Закон Дальтона для газової суміші

З погляду молекулярно-кінетичної теорії закон Дальтона виконується оскільки взаємодія між молекулами ідеального газу зневажливо мало. Тому кожен газ чинить на стінку судини тиск, якби інших газів у посудині не було.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Завдання	У закритій посудині міститься суміш 1 моля кисню і 2 молей водню. Порівняйте парціальний тиск обох газів (тиск кисню) і (тиск водню):
Відповідь	Тиск газу обумовлено ударами молекул об стінки судини, воно залежить від виду газу. У разі теплового рівноваги температура газів, які входять до складу газової суміші, у разі кисню і водню, однакова. Це означає, що парціальний тиск газів залежить від кількості молекул відповідного газу. В одному молі будь-якої речовини міститься