В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Агрегатных состояния точно три?
На самом деле, есть еще четвертое — плазма. Звучит, как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Получай лайфхаки, статьи, видео и чек-листы по обучению на почту
Пятерка по физике у тебя в кармане!
Решай домашку по физике на изи. Подробные решения помогут разобраться в сложной теме и получить пятерку!
Давление газа
Мы только что выяснили, что молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.
Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, на каждый квадратный сантиметр за 1 с молекулами воздуха наносится столько ударов, что их количество выражается двадцати трехзначным числом.
Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул о стенки сосуда приводит к значительному давлению. Это как если бы один комар толкал машину, то она бы и не сдвинулась с места, а вот пару сотен миллионов комаров вполне себе способны эту машину сдвинуть.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Зависимость давления от других величин
Зависимость давления от объема
В механике есть формула давления, которая показывает: давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.
Давление
p = F/S
p — давление [Па]
F — сила [Н]
S — площадь [м^2]
То есть, если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы они толкали грузовой автомобиль (просто потому что легковая меньше грузовика).
Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за меньшей площади.
Давайте рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.
Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, по аналогичной схеме — потому что площадь меньше. Но если площадь основания меньше, то и объем меньше. Это значит, что давление будет зависеть от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление — и наоборот.
При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):
Такая зависимость называется законом Бойля-Мариотта.
Она экспериментально проверяется с помощью такой установки.
Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.
Зависимость давления от температуры
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Эти исследования были впервые произведены в Жаком Шарлем.
Газ нагревался в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Пренебрегая ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке.
Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, измеряли температуру газа по термометру, а соответствующее давление — по манометру.
Этот эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.
С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейно:
Эта зависимость называется законом Шарля.
Хранение и транспортировка газов
Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое, или когда газы необходимо длительно хранить — их помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.
Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.
Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или любым способом пытаться сделать в них отверстие, даже после использования.
Содержание:
- § 1 Особенности давления в жидкости и газе
- § 2 Формула для вычисления давления в жидкостях и газах
- § 3 Решение задачи по теме урока
- § 4 Краткие итоги по теме урока
§ 1 Особенности давления в жидкости и газе
Известно, что давление, производимое на жидкости и газы, передается в каждую точку без изменения по всем направлениям. Это утверждение называется законом Паскаля.
На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому верхние слои жидкости давят на нижележащие слои, это давление по закону Паскаля передается по всем направлениям. Значит, внутри жидкости существует давление. Чтобы убедиться в этом, поставим опыт.
Возьмем стеклянную трубочку, затянутую снизу резиновой пленкой. Если в трубочку нальем воду, то увидим, что резиновая пленка прогибается. На резиновую пленку действуют две силы: вес воды, направленный вниз, из-за чего пленка изменяет свою форму, и возникающая при деформации сила упругости, которая стремится восстановить первоначальную форму и направленная вверх. Если две эти силы равны, то пленка будет находиться в покое.
Опустим трубку с водой в другой, более широкий, сосуд с водой. Возникает третья сила, действующая на резиновую пленку, – сила давления воды снизу, она направлена вверх и заставляет пленку выпрямляться. Если уровни воды в трубке и в сосуде совпадут, то силы давления, действующие сверху и снизу на пленку, окажутся равными.
Такой же опыт проведем с трубкой, в которой есть боковое отверстие, затянутое резиновой пленкой. Если в трубку налить воду, то пленка выгибается наружу, так как вода давит не только на дно трубки, но и на стенки. Опустим трубку в воду и заметим, что пленка выпрямляется, то есть силы, действующие на пленку изнутри и снаружи, оказались равными.
Итак, опыты показывают, что внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям.
Такое же утверждение справедливо и для газов.
§ 2 Формула для вычисления давления в жидкостях и газах
От чего зависит давление в жидкостях и газах?
Вспомним определение давления.
Давление – скалярная физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности: p = F/S.
Сила давления Fравна весу P: P = mg.
Мы знаем, что массу тела можно найти по плотности вещества: m = ρV, где ρ – плотность, V – объем.
Объем жидкости, находящейся в сосуде в форме прямоугольного параллелепипеда или в форме цилиндра, можно найти, умножив площадь дна на высоту сосуда: V = Sh. Подставим формулы веса, массы, объема в формулу давления и, сократив площадь, получим:
Мы вывели формулу для вычисления давления в жидкостях и газах:
p = gρh.
Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости.
По формуле p = gρhможно рассчитывать:
1)давление жидкости на дно в сосуде любой формы, то есть давление жидкости не зависит от формы сосуда;
2)давление жидкости на стенки сосуда, так как давление на одной и той же глубине одинаково по всем направлениям: вверх, вниз, вправо, влево, вперед, назад;
3)давление в газах.
Проверим единицу измерения давления по формуле p = gρh.
g – коэффициент тяжести, измеряется в Н/кг,
ρ – плотность, в международной системе единиц измеряется в кг/м3,
h – высота столба жидкости (глубина) – в м.
§ 3 Решение задачи по теме урока
Рассмотрим решение задачи:
Задача:Определить давление воды на дно морской впадины, глубина которой 10900 м. Плотность морской воды – 1030 кг/м3.
Решение: Запишем условие задачи: нам известны глубина h = 10900 м, плотность ρ = 1030 кг/м3. Необходимо найти: давление p. Для решения: запишем формулу расчета давления в жидкостях и газах p = gρh и подставим числовые значения:
p = 10 Н/кг · 1030 кг/м3· 10 900 м = 112 270 000 Па = 112, 27 МПа.
Ответ: 112, 27 МПа
§ 4 Краткие итоги по теме урока
ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ:
На жидкости и газы действует сила тяжести, поэтому они обладают весом. Вышележащие слои жидкости и газа своим весом давят на нижележащие слои, то есть оказывают давление. Давление внутри жидкости и газа на одном и том же уровнеодинаково по всем направлениям.
Давление в жидкостях и газах рассчитывается по формуле p = gρh, где g – коэффициент тяжести, ρ – плотность, h – высота столба жидкости или газа.
Давление в жидкостях и газах зависит только от плотности и высоты столба жидкости или газа и не зависит от формы и площади поперечного сечения сосуда, в котором находится жидкость или газ.
Список использованной литературы:
- Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 7 класс. – 3-е изд. – М.: ВАКО, 2009. – 368 с.
- Волков В.А. Тесты по физике: 7-9 классы. – М.: ВАКО, 2009. – 224 с. – (Мастерская учителя физики).
- Кирик Л.А. Физика -7. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. М.: Илекса, 2008. – 192 с.
- Контрольно-измерительные материалы. Физика: 7 класс / Сост. Зорин Н.И. – М.: ВАКО, 2012. – 80 с.
- Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 7 Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2010. – 128 с.
- Перышкин А.В. Физика. 7 класс – М.: Дрофа, 2011.
- Тихомирова С.А. Физика в пословицах и поговорках, стихах и прозе, сказках и анекдотах. Пособие для учителя. – М.: Новая школа, 2002. – 144 с.
- Я иду на урок физики: 7 класс. Часть III: Книга для учителя. – М.: Издательство «Первое сентября”, 2002. – 272 с.
Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твёрдого тела на опору.
Расстояния между молeкулами газа значительно больше. Двигаясь хаотично, молекулы сталкиваются между собой и ударяют о стенки занимаемого им сосуда. Давление газа на стенки сосуда и вызывается этими ударами молекул газа.
Рис. (1). Газ в сосуде
Обрати внимание!
Давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.
Для газа характерно одинаковое давление по всем направлениям, оно является следствием беспорядочного движения огромного числа молекул.
Давление газа на внутренние поверхности (дно, крышку, стенки) сосуда, в который он помещён, одинаково по всем направлениям.
Рис. (2). Газ в воздушном шаре
Все воздушные шары приобретают форму, в которой давление равномерно растягивает стенки шара. Сфера (шар) — форма, в которой давление на поверхность имеет наименьшее значение и равномерно по всем направлениям.
Сжатые газы проще транспортировать. Плотность сжатых газов больше, давление намного больше. Поэтому используют прочные сосуды — стальные баллоны.
Сжатый воздух используется для дайвинга. Горючие газы удобнее хранить в сжатом виде.
Рис. (3). Сжатые газы
Свойства
1. При уменьшении объёма газа его давление увеличивается, а при увеличении объёма — давление уменьшается (при условии, что масса и температура газа остаются неизменными).
2. Давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа (при условии, что масса газа и объём не изменяются).
Рис. (4). Подогрев газа в сосуде
3. При увеличении массы газа давление увеличивается и наоборот.
Источники:
Рис. 1. Газ в сосуде.
Рис. 2. Газ в воздушном шаре.
Рис. 4. Подогрев газа в сосуде.
Горелка. Указание авторства не требуется, 2021-07-29. Pixabay License, https://pixabay.com/images/id-3053616/.
Давление газа
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 83.
Обновлено 6 Августа, 2021
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 83.
Обновлено 6 Августа, 2021
Из курса физики 7 класса известно, что газ — это состояние вещества, при котором молекулы имеют достаточную скорость и энергию, чтобы преодолевать силы взаимного притяжения и удаляться друг от друга, заполняя весь предоставленный объём. Важнейшей характеристикой газа является давление. Рассмотрим эту тему подробнее, приведём формулу давления газа.
Давление в газах
Как известно из механики, давление — это мера распределения силы по некоторой площади. Она равна отношению величины силы, действующей на тело, к площади, на которой распределено действие.
Молекулы газа, заполняя предоставленный объём сосуда, непрерывно сталкиваются друг с другом и со стенками. Силы соударений отдельных молекул сливаются в одну общую силу. При этом из-за хаотичности движения молекул в любой точке газа есть молекулы, движущиеся во всех направлениях. А значит, эта сила есть в любой точке газа, и действует она также во всех направлениях. Причём, чем большую область мы будем рассматривать, тем больше в ней будет молекул, и тем большая сила будет действовать на границы этой области.
Получается, что в любой точке газа соударения молекул создают некоторую силу, пропорциональную площади, причём отношение этих двух величин постоянно. Это и есть давление газа.
Связь температуры и давления
Итак, давление газа создаётся хаотически движущимися молекулами в результате постоянных соударений. Следовательно, чем больше средняя скорость движения молекул, тем больше будет давление газа. А мера средней скорости молекул — это температура. Значит, если газ содержится в некотором постоянном объёме, то его давление будет пропорционально температуре. Данный закон был установлен в конце XVIII в. Ж. Шарлем и получил его имя.
Закон Шарля гласит, что отношение давления газа к его абсолютной температуре при неизменном объёме остаётся постоянным:
$${pover T} = const$$
где:
- $p$ — давление газа;
- $T$ — абсолютная температура газа.
Закон Шарля — это один из газовых законов молекулярно-кинетической теории (МКТ), связывающих макроскопические газовые параметры: давление, температуру и объём. Закон Шарля описывает ситуацию, когда объём газа постоянен.
Основное уравнение МКТ
Поскольку давление газа обуславливается хаотическим движением молекул, то его величина может быть определена, исходя из концентрации молекул, массы и средней скорости молекулы:
$$p={1over 3}nm_0v_{ср}^2$$
где:
- $p$ — давление газа;
- $n$ — число молекул в единице объёма (концентрация);
- $m_0$ — масса молекулы;
- $ v_{ср}^2$ — среднеквадратичная скорость молекулы.
Данное соотношение называется основным уравнением МКТ. Оно связывает средние параметры одной молекулы с давлением газа. Температура в эту формулу не входит, однако она неявно присутствует в ней в виде среднеквадратичной скорости, которая пропорциональна температуре.
Что мы узнали?
Давление газа обуславливается постоянными ударами молекул газа о стенки сосуда и между собой. Давление при постоянном объёме растёт при росте температуры. Величина давления может быть определена с помощью основного уравнения МКТ.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
-
Санёёёк Некрасов
4/5
Оценка доклада
4.7
Средняя оценка: 4.7
Всего получено оценок: 83.
А какая ваша оценка?
Давление
газа
«Вызывает
изумление
это
самое давление»
В
этой теме речь пойдёт о том, каким образом могут оказывать давление газы.
В
газах молекулы расположены друг от друга на большом расстоянии, поэтому,
силы взаимного притяжения между молекулами практически отсутствуют. Известно
также, что газы легко сжимаются. Молекулы газа двигаются беспорядочно, занимая
весь предоставленный им объём. Молекулы сталкиваются не только друг с
другом, но и ударяются о стенки сосуда. Именно эти удары и создают давление.
Сила удара одной молекулы ничтожно мала, но ведь количество молекул даже в
маленьком сосуде очень велико.
Рассмотрим
классический опыт: возьмем завязанный шарик с небольшим
количеством воздуха и накроем его стеклянным сосудом. Если выкачать из сосуда
воздух, то объём воздушного шарика увеличится. Почему же это произошло?
Дело в том, что изначально по шарику ударяли молекулы воздуха внутри сосуда,
противодействуя ударам молекул внутри шарика. Таким образом, оболочка шарика
сохраняла свой объём. Но когда воздух был откачен из сосуда, во много раз
уменьшилось количество молекул воздуха внутри него. Ударов по шарику снаружи
стало гораздо меньше, но вот количество молекул внутри шарика не изменилось.
Это позволило газу внутри шарика расширяться до тех пор, пока давление газа
внутри не стало равно давлению газа снаружи. Из этого можно сделать вывод,
что при увеличении объёма, давление газа уменьшается. Но если мы вновь
наполним сосуд воздухом, то шарик снова сдуется. Значит, при уменьшении
объёма, давление увеличивается.
Следует
понимать, что эти утверждения верны только в том случае, если речь идет о неизменной
массе газа, находящейся при неизменной температуре. Также
следует отметить: когда воздух был откачен из сосуда, форма шарика
действительно стала шарообразной (а не вытянутой, как это было изначально). Это
значит, что газ давит на оболочку шарика (или стенки сосуда) одинаково по
всем направлениям. Это объясняется беспорядочным движением молекул.
Они двигаются в случайных направлениях, но их число настолько велико, что можно
с уверенностью сказать, что во всех направлениях летит одинаковое число
молекул. В результате этого на каждый маленький кусочек площади поверхности
шарика приходится одинаковое число ударов, то есть, создается одинаковое
давление.
Проведем
еще один опыт: возьмем цилиндр с подвижным поршнем и поместим
туда некоторое количество газа.
Если
поршень будет двигаться, то можно изменять объём газа, при этом сохраняя его
массу. Таким образом, плотность газа увеличиться, то есть на единицу объёма
будет приходиться большее число молекул газа. В этом случае, они значительно
чаще будут ударяться о стенки сосуда. То есть, таким способом можно
увеличить давление. Это еще раз доказывает, что при уменьшении объёма
газа постоянной массы и температуры, давление увеличивается, а при увеличении
объёма – давление уменьшается.
Если
плотно закрыть пластиковую бутылку и сжать её, то можно почувствовать
значительное сопротивление – молекулы газа будут давить на стенки бутылки
изнутри, не давая вам сжать её.
Поставим
опыт:
Не будем изменять ни массу газа, ни его объём, а просто нагреем газ в плотно
закрытом сосуде. В этом случае давление газа увеличится. Это объясняется тем,
что при увеличении температуры, молекулы газа начинают двигаться быстрее, а,
следовательно, будут чаще ударяться о стенки сосуда. То есть, при увеличении
температуры газа постоянной массы и объёма, давление газа увеличивается, и,
наоборот, при уменьшении температуры, давление газа уменьшается. Если
слегка заткнуть стеклянную бутылку пробкой и нагреть бутылку, то пробка
выскочит из горлышка под давлением газа.
Зависимость
давления газа от температуры нередко используется людьми. Например, чтобы
поместить большое количество газа в сравнительно небольшой объём, газ охлаждают
и закачивают в баллон. После того, как газ вновь нагревается, в баллоне
создается очень высокое давление. Именно поэтому на таких баллонах, как
правило, пишут предупреждения о том, чтобы баллон ни в коем случае не нагревали
и не ударяли (это может привести к взрыву – настолько в баллоне высокое
давление).
Примеров
давления газа можно привести очень много: это и накачанный мяч, и накачанные
шины автомобиля, и атмосферное давление.
Упражнения:
Упражнение
1.
Из баллона медленно выпустили половину газа и снова закрыли его. Как изменится
давление в баллоне?
Решение:
Поскольку
молекул газа внутри баллона стало вдвое меньше, они вдвое меньше стали
ударяться о стенки баллона. Следовательно, давление уменьшилось вдвое.
Упражнение
2.
Одинаковые массы одного и того же газа находятся в двух баллонах: зеленом и
синем. Известно, что температура и в том, и в другом баллоне одинакова. В каком
баллоне давление будет больше?
Решение:
По
условию задачи, в обоих баллонах одинаковые условия. Из рисунка явно видно, что
синий баллон больше зеленого. Поэтому давление в нем будет меньше, поскольку
молекулы газа меньше будут ударяться о его стенки.
Упражнение
3.
Воздушный шарик завязали и облили его ледяной водой. Из-за этого шарик немного
сжался. Можете ли вы объяснить, почему это произошло?
Решение:
Из-за
понижения температуры, давление внутри шарика уменьшилось. В результате внешнее
давление сжимало шарик до тех пор, пока внутреннее давление вновь ни стало
равным внешнему.
Основные
выводы:
–
Давление газа – это давление, которое создается в результате ударов
молекул о стенки сосуда (или о какое-то другое тело).
–
Давление газа одинаково по всем направлениям.
–
При неизменной массе и температуре, давление газа тем больше, чем меньше его
объём. И, наоборот, давление газа тем меньше, чем больше объём.
–
При постоянной массе и объёме, давление можно изменить, изменяя температуру.
При нагревании газа, его давление будет увеличиваться, а
при охлаждении – наоборот, уменьшаться.
