Давление газа

Газы, как и твердые тела, тоже производят давление. Но твердые тела передают давление в том направлении, в котором действует сила давления. Кнопка передает давление перпендикулярно доске, лопата - в направлении силы давления ноги и т. д.

А вот газы передают давление во все стороны. Чем обусловлена такая особенность газов? От чего зависит давление газа?

Газы, как жидкости и твердые тела, состоят из частиц (атомов, молекул). Но расстояния между частицами у газов больше, чем у жидкостей и твердых тел. Поэтому силы взаимодействия между частицами у газов практически отсутствуют (кроме процессов столкновения). Двигаясь хаотически, они сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Так как число частиц газа в сосуде чрезвычайно велико (например, в 1 см3 их примерно 2,7 ⋅ 1019), то стенка воспринимает удары частиц как действие вполне ощутимой силы давления.

В газах среднее число ударов хаотически движущихся частиц и средняя сила ударов на единицу площади поверхности стенки по всем направлениям одинаковы. Значит, и среднее давление по всем направлениям одинаково.

Подтвердим это опытом. Под стеклянный колокол поместим завязанную оболочку резинового шара, внутри которой находится газ. Будем откачивать воздух из-под колокола. Объем шара по мере откачки воздуха увеличивается. Это связано с тем, что давление газа под колоколом становится меньше, чем внутри шара.

Форма оболочки в виде шара - доказательство того, что давление газа по всем направлениям одинаково.

Каким образом можно изменить давление газа? Поскольку давление обусловлено числом ударов частиц и силой удара каждой частицы о стенку, то есть два пути его изменения. Первый из них - изменить число частиц в единице объема.

Подтвердим сказанное опытом. В пробковом пистолете между пробкой и поршнем находится воздух, который оказывает давление по всем направлениям. Если будем поршнем сжимать газ, не меняя его температуры, то пробка вылетит из пистолета. Почему?

Уменьшая объем газа, мы увеличиваем число частиц в единице объема. Это приводит к увеличению числа ударов о стенки. Давление газа возрастает. А с увеличением давления растет сила давления газа на пробку, и она вылетает из пистолета. Если увеличивать объем газа при постоянной температуре, то давление будет уменьшаться.

Итак, при уменьшении объема (сжатии) газа при постоянной температуре его давление увеличивается, а при увеличении объема (расширении) газа давление уменьшается.

Второй путь изменить (например, увеличить) давление газа - это изменить силу удара частиц о стенки. Для этого газ нужно нагреть. Тогда скорость хаотического движения частиц увеличится, и, следовательно, увеличится и сила ударов их о стенки.

Зависимость давления от температуры можно подтвердить опытом. Если объем газа в пробковом пистолете сохранять постоянным, но повышать температуру газа, подогревая его на спиртовке, то пробка вылетит вследствие увеличения давления. Значит, чем выше температура газа, тем больше его давление; чем ниже температура, тем меньше давление.

Возрастание давления газа при его нагревании вызвано не только увеличением силы отдельных ударов. В холодном и горячем газе будет неодинаковым и среднее число ударов частиц о стенки сосуда за единицу времени (т. е. частота ударов). Подумайте, как влияет этот фактор на давление газа.

На баллоне с лаком для волос написано: «Предохранять от воздействия прямых солнечных лучей и нагревания выше +50 °С!» Объясните необходимость таких мер предосторожности с точки зрения физики.

Главные выводы:

  1. Давление газа есть результат ударов частиц о стенки сосуда, в котором он находится.
  2. Давление газа можно увеличить, если уменьшать его объем при постоянной температуре или, сохраняя объем газа, увеличивать его температуру.
  3. Давление газа можно уменьшить, если увеличивать (расширять) его объем при постоянной температуре или охлаждать газ, сохраняя его объем.

Читать далее