Πίεση είναι ένα φυσικό μέγεθος που υπολογίζεται ως εξής: διαιρέστε τη δύναμη πίεσης με την περιοχή στην οποία δρα αυτή η δύναμη. Η δύναμη της πίεσης καθορίζεται από το βάρος. Οποιοδήποτε φυσικό αντικείμενο ασκεί πίεση επειδή έχει τουλάχιστον κάποιο βάρος. Το άρθρο θα συζητήσει λεπτομερώς την πίεση στα αέρια. Τα παραδείγματα θα επεξηγήσουν από τι εξαρτάται και πώς αλλάζει.
Η διαφορά στους μηχανισμούς πίεσης στερεών, υγρών και αέριων ουσιών
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ υγρών, στερεών και αερίων; Τα δύο πρώτα έχουν όγκο. Τα στερεά σώματα διατηρούν το σχήμα τους. Ένα αέριο που τοποθετείται σε ένα δοχείο καταλαμβάνει όλο το χώρο του. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια αερίου πρακτικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Επομένως, ο μηχανισμός της πίεσης του αερίου διαφέρει σημαντικά από τον μηχανισμό πίεσης υγρών και στερεών.
Ας ρίξουμε το βάρος στο τραπέζι. Υπό την επίδραση της βαρύτητας, το βάρος θα συνέχιζε να κινείται προς τα κάτω μέσα από το τραπέζι, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Γιατί; Επειδή τα μόρια του πίνακα πλησιάζουν τα μόρια απόμε το οποίο γίνεται το βάρος, η απόσταση μεταξύ τους μειώνεται τόσο πολύ ώστε να προκύπτουν απωστικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων του βάρους και του τραπεζιού. Στα αέρια, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική.
Ατμοσφαιρική πίεση
Πριν εξετάσουμε την πίεση των αερίων ουσιών, ας εισαγάγουμε μια έννοια χωρίς την οποία είναι αδύνατες περαιτέρω εξηγήσεις - η ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή είναι η επίδραση που έχει ο αέρας (ατμόσφαιρα) γύρω μας. Ο αέρας μας φαίνεται μόνο άβαρος, στην πραγματικότητα έχει βάρος, και για να το αποδείξουμε αυτό, ας κάνουμε ένα πείραμα.
Θα ζυγίσουμε τον αέρα σε ένα γυάλινο δοχείο. Εισέρχεται εκεί μέσω ενός ελαστικού σωλήνα στο λαιμό. Αφαιρέστε τον αέρα με αντλία κενού. Ας ζυγίσουμε τη φιάλη χωρίς αέρα, μετά ανοίξουμε τη βρύση και όταν μπει ο αέρας, το βάρος της θα προστεθεί στο βάρος της φιάλης.
Πίεση στο δοχείο
Ας καταλάβουμε πώς δρουν τα αέρια στα τοιχώματα των αγγείων. Τα μόρια αερίου πρακτικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, αλλά δεν διασκορπίζονται το ένα από το άλλο. Αυτό σημαίνει ότι εξακολουθούν να φτάνουν στα τοιχώματα του σκάφους και μετά να επιστρέφουν. Όταν ένα μόριο χτυπά στον τοίχο, η πρόσκρουσή του δρα στο δοχείο με κάποια δύναμη. Αυτή η δύναμη είναι βραχύβια.
Άλλο παράδειγμα. Ας ρίξουμε μια μπάλα σε ένα φύλλο χαρτονιού, η μπάλα θα αναπηδήσει και το χαρτόνι θα αποκλίνει λίγο. Ας αντικαταστήσουμε την μπάλα με άμμο. Οι επιπτώσεις θα είναι μικροσκοπικές, δεν θα τις ακούσουμε καν, αλλά η δύναμή τους θα αυξηθεί. Το φύλλο θα απορρίπτεται συνεχώς.
Τώρα ας πάρουμε τα μικρότερα σωματίδια, για παράδειγμα τα σωματίδια αέρα που έχουμε στους πνεύμονές μας. Φυσάμε στο χαρτόνι, και θα παρεκκλίνει. Αναγκάζουμεμόρια αέρα χτυπούν το χαρτόνι, ως αποτέλεσμα, μια δύναμη ενεργεί σε αυτό. Τι είναι αυτή η δύναμη; Αυτή είναι η δύναμη της πίεσης.
Ας καταλήξουμε: η πίεση του αερίου προκαλείται από κρούσεις μορίων αερίου στα τοιχώματα του αγγείου. Οι μικροσκοπικές δυνάμεις που δρουν στους τοίχους αθροίζονται και παίρνουμε αυτό που ονομάζεται δύναμη πίεσης. Το αποτέλεσμα της διαίρεσης της δύναμης με την περιοχή είναι η πίεση.
Γεννιέται το ερώτημα: γιατί, αν πάρεις ένα φύλλο χαρτονιού στο χέρι σου, δεν παρεκκλίνει; Άλλωστε είναι στο αέριο, δηλαδή στον αέρα. Επειδή οι επιπτώσεις των μορίων του αέρα στη μία και στην άλλη πλευρά του φύλλου ισορροπούν μεταξύ τους. Πώς να ελέγξετε εάν τα μόρια του αέρα χτυπούν πραγματικά στον τοίχο; Αυτό μπορεί να γίνει αφαιρώντας τις κρούσεις των μορίων στη μία πλευρά, για παράδειγμα, αντλώντας αέρα.
Πείραμα
Υπάρχει μια ειδική συσκευή - μια αντλία κενού. Αυτό είναι ένα γυάλινο βάζο σε μια πλάκα κενού. Διαθέτει ελαστικό παρέμβυσμα για να μην υπάρχει κενό μεταξύ του καπακιού και της πλάκας ώστε να εφαρμόζουν σφιχτά μεταξύ τους. Στη μονάδα κενού είναι προσαρτημένο ένα μανόμετρο, το οποίο μετρά τη διαφορά στην πίεση αέρα έξω και κάτω από την κουκούλα. Η βρύση επιτρέπει στον εύκαμπτο σωλήνα που οδηγεί στην αντλία να συνδεθεί στο χώρο κάτω από την κουκούλα.
Τοποθετήστε ένα ελαφρώς φουσκωμένο μπαλόνι κάτω από το καπάκι. Λόγω του ότι είναι ελαφρώς φουσκωμένο, αντισταθμίζονται οι κρούσεις των μορίων μέσα και έξω από αυτήν. Καλύπτουμε την μπάλα με ένα καπάκι, ανοίγουμε την αντλία κενού, ανοίγουμε τη βρύση. Στο μανόμετρο, θα δούμε ότι η διαφορά μεταξύ του αέρα μέσα και έξω αυξάνεται. Τι γίνεται με ένα μπαλόνι; Αυξάνεται σε μέγεθος. Πίεση, δηλαδή, κρούσεις μορίωνέξω από την μπάλα, γίνεται μικρότερος. Τα σωματίδια αέρα μέσα στην μπάλα παραμένουν, η αντιστάθμιση των κραδασμών από έξω και από μέσα παραβιάζεται. Ο όγκος της μπάλας αυξάνεται λόγω του γεγονότος ότι η δύναμη της πίεσης των μορίων του αέρα από το εξωτερικό αναλαμβάνεται εν μέρει από την ελαστική δύναμη του καουτσούκ.
Τώρα κλείστε τη βρύση, κλείστε την αντλία, ανοίξτε ξανά τη βρύση, αποσυνδέστε τον εύκαμπτο σωλήνα για να αφήσει αέρα κάτω από το καπάκι. Η μπάλα θα αρχίσει να συρρικνώνεται σε μέγεθος. Όταν η διαφορά πίεσης έξω και κάτω από το καπάκι είναι μηδέν, θα έχει το ίδιο μέγεθος όπως ήταν πριν από την έναρξη του πειράματος. Αυτή η εμπειρία αποδεικνύει ότι μπορείτε να δείτε την πίεση με τα μάτια σας εάν είναι μεγαλύτερη στη μία πλευρά παρά στην άλλη, δηλαδή εάν το αέριο αφαιρεθεί από τη μία πλευρά και αφεθεί στην άλλη.
Το συμπέρασμα είναι το εξής: η πίεση είναι μια ποσότητα που καθορίζεται από τις επιπτώσεις των μορίων, αλλά οι επιπτώσεις μπορεί να είναι πιο πολλές και λιγότερο πολυάριθμες. Όσο περισσότερα χτυπήματα στα τοιχώματα του σκάφους, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση. Επιπλέον, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα των μορίων που προσκρούουν στα τοιχώματα του αγγείου, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση που παράγεται από αυτό το αέριο.
Εξάρτηση της πίεσης από τον όγκο
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια συγκεκριμένη μάζα του ματιού, δηλαδή έναν ορισμένο αριθμό μορίων. Στην πορεία των πειραμάτων που θα εξετάσουμε, αυτή η ποσότητα δεν αλλάζει. Το αέριο είναι σε κύλινδρο με έμβολο. Το έμβολο μπορεί να μετακινηθεί πάνω και κάτω. Το πάνω μέρος του κυλίνδρου είναι ανοιχτό, θα βάλουμε μια ελαστική μεμβράνη από καουτσούκ. Τα σωματίδια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου και το φιλμ. Όταν η πίεση του αέρα μέσα και έξω είναι ίδια, το φιλμ είναι επίπεδο.
Αν μετακινήσετε το έμβολο προς τα πάνω,ο αριθμός των μορίων θα παραμείνει ίδιος, αλλά η απόσταση μεταξύ τους θα μειωθεί. Θα κινούνται με τις ίδιες ταχύτητες, η μάζα τους δεν θα αλλάξει. Ωστόσο, ο αριθμός των χτυπημάτων θα αυξηθεί επειδή το μόριο πρέπει να διανύσει μικρότερη απόσταση για να φτάσει στον τοίχο. Ως αποτέλεσμα, η πίεση θα πρέπει να αυξηθεί και η μεμβράνη πρέπει να λυγίσει προς τα έξω. Επομένως, με τη μείωση του όγκου, η πίεση ενός αερίου αυξάνεται, αλλά αυτό υπό την προϋπόθεση ότι η μάζα του αερίου και η θερμοκρασία παραμένουν αμετάβλητες.
Αν μετακινήσετε το έμβολο προς τα κάτω, η απόσταση μεταξύ των μορίων θα αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι ο χρόνος που θα χρειαστούν για να φτάσουν στα τοιχώματα του κυλίνδρου και της μεμβράνης θα αυξηθεί επίσης. Οι επιτυχίες θα γίνουν πιο σπάνιες. Το αέριο έξω έχει υψηλότερη πίεση από αυτό μέσα στον κύλινδρο. Επομένως, η ταινία θα λυγίσει προς τα μέσα. Συμπέρασμα: η πίεση είναι μια ποσότητα που εξαρτάται από τον όγκο.
Εξάρτηση της πίεσης από τη θερμοκρασία
Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα δοχείο με αέριο σε χαμηλή θερμοκρασία και ένα δοχείο με το ίδιο αέριο στην ίδια ποσότητα σε υψηλή θερμοκρασία. Σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, η πίεση ενός αερίου οφείλεται στις επιπτώσεις των μορίων. Ο αριθμός των μορίων αερίου και στα δύο δοχεία είναι ο ίδιος. Ο όγκος είναι ίδιος, επομένως η απόσταση μεταξύ των μορίων παραμένει ίδια.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα σωματίδια αρχίζουν να κινούνται πιο γρήγορα. Κατά συνέπεια, ο αριθμός και η ισχύς των κρούσεων τους στα τοιχώματα του σκάφους αυξάνεται.
Το ακόλουθο πείραμα βοηθά στην επαλήθευση της ορθότητας της δήλωσης ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία ενός αερίου, η πίεσή του αυξάνεται.
Λήψημπουκάλι, ο λαιμός του οποίου κλείνει με μπαλόνι. Τοποθετήστε το σε ένα δοχείο με ζεστό νερό. Θα δούμε ότι το μπαλόνι είναι φουσκωμένο. Εάν αλλάξετε το νερό στο δοχείο σε κρύο και τοποθετήσετε ένα μπουκάλι εκεί, το μπαλόνι θα ξεφουσκώσει και ακόμη και θα τραβηχτεί μέσα.
