Spiediens ir fizikāls lielums, ko aprēķina šādi: sadaliet spiediena spēku ar laukumu, uz kuru šis spēks iedarbojas. Spiediena spēku nosaka svars. Jebkurš fizisks objekts izdara spiedienu, jo tam ir vismaz kāds svars. Rakstā tiks detalizēti aplūkots spiediens gāzēs. Piemēri ilustrēs, no kā tas ir atkarīgs un kā tas mainās.
Cietu, šķidru un gāzveida vielu spiediena mehānismu atšķirības
Kāda ir atšķirība starp šķidrumiem, cietām vielām un gāzēm? Pirmajiem diviem ir apjoms. Cietie ķermeņi saglabā savu formu. Gāze, kas ievietota traukā, aizņem visu tās vietu. Tas ir saistīts ar faktu, ka gāzes molekulas praktiski nesaskaras viena ar otru. Tāpēc gāzes spiediena mehānisms būtiski atšķiras no šķidrumu un cietvielu spiediena mehānisma.
Noliksim svaru uz galda. Gravitācijas ietekmē svars turpinātu virzīties uz leju pa galdu, bet tas nenotiek. Kāpēc? Jo tabulas molekulas tuvojas molekulām nokuru atsvars tiek izgatavots, attālums starp tiem samazinās tik ļoti, ka starp svara daļiņām un galdu rodas atgrūšanas spēki. Gāzēs situācija ir pavisam cita.
Atmosfēras spiediens
Pirms aplūkot gāzveida vielu spiedienu, ieviesīsim jēdzienu, bez kura nav iespējami tālāki skaidrojumi - atmosfēras spiediens. Tas ir efekts, ko rada gaiss (atmosfēra) mums apkārt. Gaiss mums tikai šķiet bezsvara, patiesībā tam ir svars, un, lai to pierādītu, veiksim eksperimentu.
Mēs svērsim gaisu stikla traukā. Tas tur iekļūst caur gumijas cauruli kaklā. Noņemiet gaisu ar vakuumsūkni. Nosveram kolbu bez gaisa, tad atveram krānu, un, kad gaiss ieplūdīs, tā svars tiks pievienots kolbas svaram.
Spiediens traukā
Izdomāsim, kā gāzes iedarbojas uz kuģu sienām. Gāzes molekulas praktiski nesaskaras viena ar otru, bet tās neizkliedējas viena no otras. Tas nozīmē, ka tie joprojām sasniedz kuģa sienas un pēc tam atgriežas. Kad molekula atsitas pret sienu, tās trieciens iedarbojas uz trauku ar zināmu spēku. Šis spēks ir īslaicīgs.
Cits piemērs. Metīsim bumbiņu pa kartona loksni, bumba atleks, un kartons nedaudz novirzīsies. Aizstāsim bumbu ar smiltīm. Ietekme būs niecīga, mēs tās pat nedzirdēsim, bet to spēks palielināsies. Lapa tiks pastāvīgi noraidīta.
Tagad ņemsim mazākās daļiņas, piemēram, gaisa daļiņas, kas atrodas mūsu plaušās. Mēs pūšam uz kartona, un tas novirzīsies. Mēs piespiežamgaisa molekulas ietriecas kartonā, kā rezultātā uz to iedarbojas spēks. Kas ir šis spēks? Tas ir spiediena spēks.
Secinām: gāzes spiedienu rada gāzes molekulu ietekme uz trauka sieniņām. Mikroskopiskie spēki, kas iedarbojas uz sienām, summējas, un mēs iegūstam tā saukto spiediena spēku. Spēka dalīšanas ar laukumu rezultāts ir spiediens.
Rodas jautājums: kāpēc, ja paņem rokā kartona loksni, tā nenovirzās? Galu galā tas ir gāzē, tas ir, gaisā. Jo gaisa molekulu ietekme uz vienu un otru lapas pusi līdzsvaro viena otru. Kā pārbaudīt, vai gaisa molekulas tiešām atsitas pret sienu? To var izdarīt, novēršot molekulu triecienus vienā pusē, piemēram, izsūknējot gaisu.
Eksperiments
Ir speciāla iekārta - vakuumsūknis. Šī ir stikla burka uz vakuuma plāksnes. Tam ir gumijas blīve, lai starp vāciņu un plāksni nebūtu atstarpes, lai tie cieši pieguļ viens otram. Vakuuma blokam ir pievienots manometrs, kas mēra gaisa spiediena starpību ārpusē un zem pārsega. Jaucējkrāns ļauj savienot šļūteni, kas ved uz sūkni, telpai zem pārsega.
Novietojiet zem vāciņa nedaudz piepūstu balonu. Sakarā ar to, ka tā ir nedaudz piepūsta, tiek kompensēta molekulu ietekme bumbiņā un ārpus tās. Mēs pārklājam bumbu ar vāciņu, ieslēdzam vakuuma sūkni, atveram krānu. Uz manometra mēs redzēsim, ka starpība starp gaisu iekšpusē un ārpusē palielinās. Kā ar balonu? Tas palielinās izmērā. Spiediens, tas ir, molekulu ietekmeārpus bumbas, kļūstot mazākam. Bumbiņas iekšpusē paliek gaisa daļiņas, tiek pārkāpta triecienu kompensācija no ārpuses un no iekšpuses. Bumbiņas tilpums pieaug tāpēc, ka gaisa molekulu spiediena spēku no ārpuses daļēji pārņem gumijas elastīgais spēks.
Tagad aizveriet jaucējkrānu, izslēdziet sūkni, vēlreiz atveriet jaucējkrānu, atvienojiet šļūteni, lai gaiss nonāktu zem vāciņa. Bumba sāks sarukt pēc izmēra. Kad spiediena starpība ārpus un zem vāciņa ir nulle, tā būs tāda pati kā pirms eksperimenta sākuma. Šī pieredze pierāda, ka spiedienu var redzēt ar savām acīm, ja tas vienā pusē ir lielāks nekā otrā, t.i., ja gāze tiek noņemta no vienas puses un atstāta no otras.
Secinājums ir šāds: spiediens ir lielums, ko nosaka molekulu ietekme, bet ietekme var būt lielāka un mazāka. Jo vairāk sitienu pa trauka sieniņām, jo lielāks spiediens. Turklāt, jo lielāks ir molekulu ātrums, kas ietriecas trauka sieniņās, jo lielāks ir šīs gāzes radītais spiediens.
Spiediena atkarība no skaļuma
Pieņemsim, ka mums ir noteikta acs masa, tas ir, noteikts molekulu skaits. Eksperimentu laikā, ko mēs izskatīsim, šis daudzums nemainās. Gāze ir cilindrā ar virzuli. Virzuļu var pārvietot uz augšu un uz leju. Cilindra augšdaļa ir atvērta, uzliksim elastīgu gumijas plēvi. Gāzes daļiņas ietriecās trauka sienās un plēvē. Ja gaisa spiediens iekšpusē un ārpusē ir vienāds, plēve ir plakana.
Ja virzāt virzuli uz augšu,molekulu skaits paliks nemainīgs, bet attālums starp tām samazināsies. Viņi pārvietosies ar vienādu ātrumu, to masa nemainīsies. Tomēr sitienu skaits palielināsies, jo molekulai ir jānobrauc mazāks attālums, lai sasniegtu sienu. Tā rezultātā spiedienam vajadzētu palielināties, un plēvei vajadzētu izliekties uz āru. Tāpēc, samazinoties tilpumam, gāzes spiediens palielinās, bet tas ir ar nosacījumu, ka gāzes masa un temperatūra paliek nemainīga.
Ja virzīsiet virzuli uz leju, attālums starp molekulām palielināsies, kas nozīmē, ka palielināsies arī laiks, kas nepieciešams, lai tās sasniegtu cilindra un plēves sienas. Šlāgeri kļūs retāk. Gāzei ārpusē ir lielāks spiediens nekā cilindra iekšpusē. Tāpēc plēve salieksies uz iekšu. Secinājums: spiediens ir daudzums, kas ir atkarīgs no tilpuma.
Spiediena atkarība no temperatūras
Pieņemsim, ka mums ir trauks ar gāzi zemā temperatūrā un trauks ar tādu pašu gāzi tādā pašā daudzumā augstā temperatūrā. Jebkurā temperatūrā gāzes spiediens ir saistīts ar molekulu ietekmi. Gāzes molekulu skaits abos traukos ir vienāds. Tilpums ir vienāds, tāpēc attālums starp molekulām paliek nemainīgs.
Paaugstinoties temperatūrai, daļiņas sāk kustēties ātrāk. Līdz ar to palielinās to triecienu skaits un stiprums uz kuģa sienām.
Sekojošais eksperiments palīdz pārbaudīt apgalvojuma, ka, paaugstinoties gāzes temperatūrai, palielinās tās spiediens, pareizību.
Ņempudele, kuras kakls ir aizvērts ar balonu. Ievietojiet to traukā ar karstu ūdeni. Mēs redzēsim, ka balons ir piepūsts. Ja nomainīsiet ūdeni traukā uz aukstu un novietosiet tur pudeli, balons iztukšosies un pat tiks ievilkts.
