Fizika: tlak trdnih snovi, tekočin in plinov

Eden od pomembnih parametrov, ki označuje tri osnovna stanja snovi na različne načine (plin, trdna snov in tekočina), je pritisk. Članek obravnava glavna vprašanja fizike tlaka trdnih snovi, tekočin in plinov.

Tri agregatna stanja snovi

Preden se lotimo vprašanja pritiska v fiziki, definiramo trdna, tekoča in plinasta telesa, ki so glavni načini obstoja materije na našem planetu.

Trdno telo praktično ne kaže fluidnosti in to dejstvo označuje glavno razliko med trdnimi snovmi, tekočinami in plini. Delci, ki tvorijo trdno snov (molekule, atomi), so v določenih prostorskih položajih in jih zelo redko spreminjajo. Zato vsak vpliv zunanje sile na trdno telo vodi v pojav nasprotnih sil v njem, ki si prizadevajo ohraniti obliko in prostornino.

Tekočine in plini so tekoča stanja snovi, kar pomeni, da bo tudi minimalni vpliv zunanje sile na njih povzročil spremembo njihove oblike. Tako v tekočinah kot v plinih, delci, ki jih sestavljajo, nimajo določenega mesta v prostoru in nenehno skočijo iz enega položaja v drugega. Ta fluidna stanja se razlikujejo v moči interakcije med njihovimi delci. Tako je v tekočinah sila interakcije med atomi in molekulami, čeprav red manjša od tiste v trdni snovi, še vedno pomembna, da bi ohranili volumen, ki ga zaseda tekočina. To pomeni, da so tekočine praktično nestisljive. Pri plinih pa se lahko sila interakcije med delci, ki jih tvorijo, zanemari, tako da plini vedno zasedajo poljubno velik volumen, ki je na razpolago.

Upoštevajte, da obstaja četrto stanje snovi - plazma, ki je po svojih lastnostih podobno plinu, vendar se od njega razlikuje po tem, da so njene lastnosti v veliki meri določene z magnetnimi in električnimi učinki. Večina snovi v vesolju je ravno v stanju plazme.

Koncept tlaka v fiziki

Da bi razumeli, kaj je pritisk, morate najprej razmisliti o konceptu sile. Sila v fiziki se razume kot intenzivnost vpliva ali interakcije med telesi. Na primer, pri oblikovanju drugega zakona Newtona se sila razume kot fizikalna količina katere koli narave, ki je sposobna dati določen pospešek telesu s končno maso. V mednarodnem sistemu enot se sila meri v newtonih (N). Sila 1 N lahko spreminja hitrost telesa, ki tehta 1 kg na 1 m vsako sekundo.

Tlak je količina, ki je definirana kot pravokotna komponenta sile, ki se nanaša na površino z določenim območjem, to je:

P = F / S, kjer

P - tlak, S - območje, F - sila. T

Merjenje tlaka v fiziki poteka v pascalih (Pa), 1 [Pa] = 1 [H] / 1 [m ² ].

Če sila F deluje pod določenim kotom na površino, potem je za izračun tlaka potrebno določiti pravokotno komponento sile na to površino. Sila, ki deluje tangencialno na površino, ne ustvarja nobenega pritiska.

Trdne snovi in ​​tlak

Ker sta sila in površina udarca potrebni za ustvarjanje tlaka, to v primeru trdnih snovi ni mogoče, saj so v ravnotežnem stanju. Vsak delček trdne snovi ima določen položaj in s tem nastala sila, ki deluje na ta delček iz okolja, je nič. Če torej govorimo o fiziki tlaka trdnih snovi, mislimo na sodelovanje zunanjih objektov, s katerimi ti organi delujejo.

Na primer, če vzamete kovinsko palico in jo položite na pesek z večjo ravnino, bo začela ustvarjati nekaj pritiska na površino peska. Zdaj, če postavimo isti pesek na pesek z manjšo ravnino, lahko vidimo, da se bo potopil v pesek do določene globine. Vzrok tega pojava je različen pritisk kovinske palice na pesek v različnih položajih. Iz formule za tlak P = F / S je razvidno, da je manjše območje, več tlaka ustvarja trdno telo na površini nosilca. V primeru palice je sila F ostala konstantna v vseh svojih položajih in bila enaka teži palice:

m × g kjer

m in g sta masa snopa in pospešek gravitacije.

Tlak tekočine

Ker so plini in tekočine predstavniki tekočine, je za fiziko tlaka v tekočini in plinu značilno dejstvo, da obe stanj snovi v vsakem neskončno majhnem volumnu oddajajo enak tlak v vseh prostorskih smereh. Če pa bo obravnavana prostornina imela nekaj končnih dimenzij, potem bo za tekočine igrala vlogo gravitacijska sila, s katero zgornje plasti delujejo na spodnje plasti. Ta sila vodi v koncept hidrostatskega tlaka.

V fiziki je hidrostatični tlak opredeljen kot tlak, s katerim tekočina deluje na telo, ki je v njem potopljeno. Ta tlak se izračuna po formuli:

P = ρ × g × h, kjer

ρ in h sta gostota in globina tekočine.

Tlak v plinastih medijih

Glede na pline je treba reči, da je tlak v njih povezan izključno z naključnim gibanjem atomov in molekul.

Recimo, da je v nekem plovilu zaprt plin. Ker se njegovi delci na enak način pomikajo naključno v vseh smereh, ko dosežejo stene posode, jih bodo začeli udarjati, to je ustvariti pritisk. Seveda pa bo vpliv posameznega delca ustvaril zelo majhen tlak, če pa upoštevamo, da je veliko teh delcev (po vrstnem redu Avogadrove številke N _A = 6.02 * 10 ²³ ) in da se gibljejo pri visokih hitrostih (okoli 1000 m / s), potem se v praksi tlak, ki deluje na stene plovila, opazi.

Za razliko od tekočin, plinski delci ne vplivajo drug na drugega (približek idealnega plina), zato ni smiselno govoriti o tlaku zgornjih plinskih plasti do nižjih.

Kaj določa tlak v plinu?

Če poznamo naravo pojava tlaka v plinih, lahko predpostavimo, da če povečamo število delcev, ki zadenejo stene posode in povečamo silo teh vplivov, potem se tlak poveča. V zvezi s tem spremenijo tlak v plinu naslednji dejavniki.

• Koncentracija delcev Lahko se poveča z zmanjšanjem prostornine, ki jo porabi plin. Pri konstantni temperaturi bo sprememba volumna obratno vplivala na tlak.
• Temperatura Ker ta vrednost določa kinetično energijo plinastih delcev, bo njeno povečanje z drugimi konstantnimi parametri sistema povzročilo povečanje tlaka.

Tlak zemeljske atmosfere

Ker je atmosfera našega planeta mešanica plinov (predvsem dušika in kisika), se fizika atmosferskega tlaka ne bo razlikovala od fizike opisa te količine za pline. Torej je zračni tlak na površini Zemlje 101 325 Pa ali 100 kPa, kar ustreza tlaku 760 mm Hg.

S povečanjem nadmorske višine se začne koncentracija molekul zraka zmanjševati, saj se gravitacija zmanjšuje in že na višini Mount Everesta (8.848 m), zračni tlak pade na 34 kPa, kar je 1/3 tlaka na morski gladini. Tako zmanjšanje atmosferskega tlaka resno ogroža življenje ljudi.

Primer reševanja problema

Vsaka rešitev problema fizike na pritisk se izvaja z uporabo formul in konceptov, ki so obravnavani v članku. Dajemo primer reševanja enega od teh problemov.

Iz praktičnih razlogov je atmosferski tlak v fiziki običajno izražen v milimetrih živega srebra. Kakšen je tlak v milimetrih živega srebra na vrhu Everesta?

Iz zgornjih podatkov je znano, da je na vrhu najvišje gore na svetu zračni tlak 34 kPa. Za določitev višine živega srebrovega stebra, da bi ta balansiralo ta atmosferski tlak, uporabimo formulo za hidrostatični tlak:

P = ρ × g × h,

od kod

h = P / (ρ × g), kjer

ρ = 13 540 kg / m ³ - gostota živega srebra,

g = 9,81 m / s ² .

Če nadomestimo znane vrednosti s formulo, dobimo:

h = 0,256 m = 256 mm.

Ta problem bi lahko rešili na drug način. Ker je zračni tlak blizu površine planeta 101 kPa, kar ustreza tlaku 760 mm živega srebra, je mogoče doseči višino živega srebra na višini Everesta s preprostim razmerjem:

h = 34 × 760/101 = 256 mm.