Fyzika: tlak pevných látek, kapalin a plynů

22. 4. 2019

Jedním z důležitých parametrů, které charakterizují tři základní stavy hmoty různými způsoby (plynem, pevným a kapalným), je tlak. Článek se zabývá hlavními otázkami fyziky tlaku pevných látek, kapalin a plynů.

Tři agregované stavy hmoty

Tři stavy hmoty

Než se obrátíme na otázku tlaku ve fyzice, definujeme tuhé, kapalné a plynné těla, které jsou hlavními způsoby existence hmoty na naší planetě.

Pevné těleso prakticky nevykazuje tekutost a tento fakt charakterizuje hlavní rozdíl mezi pevnými látkami a kapalinami a plyny. Částice, které tvoří pevnou látku (molekuly, atomy), jsou v určitých prostorových pozicích a velmi zřídka je mění. To je důvod, proč jakýkoli vliv vnější síly na pevné tělo vede k tomu, že se v něm objevují protichůdné síly a snaží se zachovat tvar a objem.

Tekutiny a plyny jsou tekuté stavy hmoty, to znamená, že i minimální dopad vnější síly na ně povede ke změně jejich tvaru. Jak v kapalinách, tak v plynech, částice, z nichž jsou složeny, nemají určité místo v prostoru a neustále skočí z jedné polohy do druhé. Tyto kapalné stavy se liší v síle interakce mezi jejich částicemi. Proto v kapalinách zůstává síla interakce mezi atomy a molekulami, ačkoli o řádu menší než v pevné látce, stále ještě významná, aby se udržel objem obsazený kapalinou. To znamená, že kapaliny jsou prakticky nestlačitelné. V plynech však může být zanedbávána síla interakce mezi částice, která je tvoří, takže plyny vždy obsazují libovolně velký objem, který je k dispozici.

Plynový stav hmoty

Všimněte si, že existuje čtvrtý stav hmoty - plazma, která je podobná plynu ve svých vlastnostech, ale liší se od ní tím, že její vlastnosti jsou z velké části určovány magnetickými a elektrickými účinky. Většina věcí ve vesmíru je právě ve stavu plazmy.

Koncept tlaku ve fyzice

Chcete-li pochopit, jaký je tlak, musíte nejprve zvážit koncept síly. Síla ve fyzice se chápe jako intenzita nárazu nebo interakce mezi těly. Například při formulování druhého zákona Newtonu se síla chápe jako fyzické množství jakékoliv povahy, které je schopno určitému zrychlení přinést těleso konečné hmoty. V mezinárodním systému jednotek se síla měří v newtonech (N). Síla 1 N je schopna měnit rychlost těla o hmotnosti 1 kg na 1 m za sekundu.

Tlak je takové množství, které je definováno jako kolmá složka síly, která se vztahuje k povrchu s určitou plochou, tj.

P = F / S, kde

P - tlak, S - plocha, F - síla.

Měření tlaku ve fyzice se provádí v pascalu (Pa), 1 [Pa] = 1 [H] / 1 [m 2 ].

Jestliže síla F působí pod určitým úhlem k povrchu, pak pro výpočet tlaku je nutné určit kolmou složku síly na tento povrch. Síla působící tangenciálně na povrch nevytváří žádný tlak.

Pevné látky a tlak

Porézní pevná látka

Vzhledem k tomu, že síla a povrch nárazu jsou potřebné k vytvoření tlaku, není to možné u pevných látek, protože jsou v rovnovážném stavu. Vskutku každá částicka v pevné látce zaujímá určitou pozici a výsledná síla, která působí na tuto částicku z jejího prostředí, je nulová. Proto mluvit o fyzice tlaku pevných látek, máme na mysli účast vnějších objektů, s nimiž tyto orgány interagují.

Například pokud vezmete kovovou lištu a položíte ji na písek s větší rovinou, začne vytvářet nějaký tlak na povrch písku. Nyní, pokud umístíme stejné dřevo na písek s menším rovinou, pak uvidíme, že se do písku ponoří do určité hloubky. Příčinou tohoto jevu bude rozdílný tlak vyvíjený kovovou tyčí na písku v různých polohách. Ze vzorce pro tlak P = F / S lze vidět, že čím menší oblast, tím větší tlak vytváří pevné těleso na povrchu nosiče. V případě tyče zůstala síla F konstantní ve všech svých polohách a byla rovna hmotnosti závaží:

m × g kde

m a g jsou hmotnost nosníku a gravitační zrychlení.

Tlak kapaliny

Tekutá voda

Vzhledem k tomu, že plyny a kapaliny jsou představiteli tekuté hmoty, fyzikální tlak v kapalině a plynu je charakterizován skutečností, že oba stavy hmoty v každém nekonečně malém objemu mají stejný tlak ve všech prostorových směrech. Nicméně, jestliže zvažovaný objem bude mít nějaké konečné rozměry, pak u tekutin začne hrát roli síla gravitace, s níž horní vrstvy působí na spodní vrstvy. Tato síla vede k konceptu hydrostatického tlaku.

Ve fyzice je hydrostatický tlak definován jako tlak, s nímž tekutina působí na těleso ponořené do ní. Tento tlak se vypočítá podle vzorce:

P = ρ × g × h, kde

ρ a h jsou hustota kapalin a hloubka.

Tlak kapaliny

Tlak v plynných médiích

Vzhledem k plynům je třeba říci, že tlak v nich je spojován výhradně s náhodným pohybem atomů a molekul.

Předpokládejme, že v nějaké nádobě je uzavřený plyn. Jelikož se jeho částice pohybují náhodně ve všech směrech stejným způsobem, když se dostanou ke stěnám nádoby, začnou je zasahovat, to znamená vytvořit tlak. Samozřejmě, že dopad jedné částice vytvoří velmi malý tlak, pokud se domníváme, že existuje mnoho z těchto částic (v pořadí Avogadrova číslo N A = 6.02 * 10 23 ) a že se pohybují vysokou rychlostí (asi 1000 m / s) pak se tlak vyvíjený na stěnách nádoby stává znatelným v praxi.

Na rozdíl od tekutin se částice plynů navzájem vzájemně nereagují (sbližování ideálního plynu), proto nemá smysl mluvit o tlaku horních vrstev plynu na nižší.

Co určuje tlak v plynu?

Částice v plynu

Vzhledem k povaze výskytu tlaku v plyne lze předpokládat, že pokud zvýšíme počet částic, které zasáhnou stěny nádoby a zvýšíme sílu těchto nárazů, pak by se měl tlak zvýšit. V tomto ohledu určují následující faktory změnu tlaku v plynu.

  • Koncentrace částic Může se zvýšit snížením objemu plynu. Při konstantní teplotě bude změna objemu nepřímo ovlivňovat tlak.
  • Teplota Vzhledem k tomu, že tato hodnota určuje kinetickou energii plynových částic, bude její nárůst s jinými konstantními parametry systému vést ke zvýšení tlaku.

Tlak zemské atmosféry

Vzhledem k tomu, že atmosféra naší planety je směsí plynů (především dusíku a kyslíku), fyzika atmosférického tlaku se nebude lišit od fyziky popisu tohoto množství pro plyny. Tlak vzduchu na zemském povrchu je tedy 101 325 Pa nebo 100 kPa, což odpovídá tlaku 760 mm Hg.

S nárůstem nadmořské výšky začne koncentrace molekul vzduchu klesat, protože se snižuje gravitace a již ve výšce Mount Everest (8 848 m) klesá tlak vzduchu na 34 kPa, což je 1/3 tohoto tlaku na hladině moře. Takové snížení atmosférického tlaku je vážným ohrožením lidského života.

Příklad řešení problému

Mount Everest

Každé řešení problému fyziky na tlaku se provádí pomocí vzorců a konceptů, které jsou popsány v článku. Uvádíme příklad řešení jednoho z těchto problémů.

Pro praktické účely je atmosférický tlak ve fyzice běžně vyjádřen v milimetrech rtuti. Jaký je tlak v milimetrech rtuti na vrcholu Everestu?

Z výše uvedených informací je známo, že na vrcholu nejvyšší hory na světě je tlak vzduchu 34 kPa. Abychom zjistili, jakou výšku by měl být rtuťový sloupec, aby vyrovnal tento atmosférický tlak, použijeme vzorec pro hydrostatický tlak:

P = ρ × g × h,

odkud

h = P / (ρ × g), kde

ρ = 13 540 kg / m 3 - hustota rtuti,

g = 9,81 m / s 2 .

Nahrazením známých hodnot do vzorce získáme:

h = 0,256 m = 256 mm.

Tento problém lze vyřešit jiným způsobem. Vědomí toho, že tlak vzduchu v blízkosti planety je 101 kPa a to odpovídá tlaku 760 mm z rtuťové kolony, je možné získat výšku rtuťové kolony ve výšce Everestu prostým poměrem:

h = 34 × 760/101 = 256 mm.

Přečíst předchozí

Co je holič, co udělal?