לחץ הוא גודל פיזיקלי המחושב באופן הבא: חלקו את כוח הלחץ בשטח שעליו פועל כוח זה. כוח הלחץ נקבע לפי המשקל. כל עצם פיזי מפעיל לחץ כי יש לו לפחות משקל מסוים. המאמר ידון בפירוט בלחץ בגזים. דוגמאות ימחישו במה זה תלוי וכיצד זה משתנה.
ההבדל במנגנוני הלחץ של חומרים מוצקים, נוזליים וגזים
מה ההבדל בין נוזלים, מוצקים וגזים? לשני הראשונים יש נפח. גופים מוצקים שומרים על צורתם. גז שהונח בכלי תופס את כל שטחו. זה נובע מהעובדה שמולקולות הגז למעשה אינן מקיימות אינטראקציה זו עם זו. לכן, מנגנון לחץ הגז שונה משמעותית ממנגנון הלחץ של נוזלים ומוצקים.
בואו נשים את המשקל על השולחן. בהשפעת כוח המשיכה, המשקל ימשיך לנוע למטה דרך הטבלה, אך זה לא קורה. למה? כי המולקולות של הטבלה מתקרבות למולקולות משהמשקל נעשה, המרחק ביניהם יורד עד כדי כך שנוצרים כוחות דחיה בין חלקיקי המשקל לשולחן. בגזים המצב שונה לחלוטין.
לחץ אטמוספרי
לפני שניקח בחשבון את הלחץ של חומרים גזים, הבה נציג מושג שבלעדיו אי אפשר להסביר עוד הסברים - לחץ אטמוספרי. זו ההשפעה שיש לאוויר (אטמוספירה) סביבנו. אוויר רק נראה לנו חסר משקל, למעשה יש לו משקל, וכדי להוכיח זאת, בואו נעשה ניסוי.
נשקול את האוויר בכלי זכוכית. זה נכנס לשם דרך צינור גומי בצוואר. הסר אוויר עם משאבת ואקום. בוא נשקול את הבקבוק ללא אוויר, ואז נפתח את הברז, וכשהאוויר ייכנס יתווסף משקלו למשקל הבקבוק.
לחץ בכלי
בואו נבין איך גזים פועלים על דפנות כלי השיט. מולקולות גז למעשה אינן מקיימות אינטראקציה זו עם זו, אך הן אינן מתפזרות זו מזו. זה אומר שהם עדיין מגיעים לדפנות הכלי, ואז חוזרים. כאשר מולקולה פוגעת בקיר, פגיעתה פועלת על הכלי בכוח מסוים. כוח זה הוא קצר מועד.
דוגמה נוספת. בוא נזרוק כדור על יריעת קרטון, הכדור יקפץ, והקרטון יסטה מעט. בואו נחליף את הכדור בחול. ההשפעות יהיו זעירות, אפילו לא נשמע אותן, אבל כוחן יצטבר. הגיליון יידחה כל הזמן.
עכשיו בואו ניקח את החלקיקים הקטנים ביותר, למשל חלקיקי אוויר שיש לנו בריאות. אנחנו נושפים על הקרטון, וזה יחרוג. אנחנו מכריחיםמולקולות אוויר פוגעות בקרטון, כתוצאה מכך פועל עליו כוח. מה זה הכוח הזה? זהו כוח הלחץ.
בואו נסכם: לחץ הגז נגרם מהשפעות של מולקולות גז על דפנות הכלי. הכוחות המיקרוסקופיים שפועלים על הקירות מסתכמים, ונקבל מה שנקרא כוח הלחץ. התוצאה של חלוקת כוח לפי שטח היא לחץ.
נשאלת השאלה: למה, אם אתה לוקח דף קרטון ביד, הוא לא סוטה? הרי זה בגז, כלומר באוויר. כי ההשפעות של מולקולות אוויר בצד אחד ובצד השני של הסדין מאזנות זו את זו. איך בודקים אם מולקולות אוויר באמת פוגעות בקיר? ניתן לעשות זאת על ידי הסרת השפעות של מולקולות בצד אחד, למשל, על ידי שאיבת אוויר.
ניסוי
יש מכשיר מיוחד - משאבת ואקום. זוהי צנצנת זכוכית על צלחת ואקום. יש לו אטם גומי כך שאין רווח בין הפקק לצלחת כך שהם מתאימים היטב אחד לשני. ליחידת הוואקום מחובר מנמטר המודד את ההבדל בלחץ האוויר מחוץ למכסה המנוע ומתחתיו. הברז מאפשר לחבר את הצינור המוביל למשאבה לחלל שמתחת למכסה המנוע.
הנח בלון מעט מנופח מתחת למכסה. הודות לעובדה שהוא מנופח מעט, פגיעות המולקולות בתוך הכדור ומחוצה לו מפוצות. אנחנו מכסים את הכדור עם כובע, מפעילים את משאבת הוואקום, פותחים את הברז. על מד הלחץ נראה שההבדל בין האוויר בפנים לחוץ הולך וגדל. מה עם בלון? זה גדל בגודלו. לחץ, כלומר, השפעות של מולקולותמחוץ לכדור, הולך וקטן. חלקיקי אוויר בתוך הכדור נשארים, הפיצוי של זעזועים מבחוץ ומבפנים מופר. נפח הכדור גדל בשל העובדה שכוח הלחץ של מולקולות האוויר מבחוץ משתלט חלקית על ידי הכוח האלסטי של הגומי.
עכשיו סגור את הברז, כבה את המשאבה, פתח את הברז שוב, נתק את הצינור כדי להכניס אוויר מתחת למכסה. הכדור יתחיל להתכווץ בגודלו. כאשר הפרש הלחץ מחוץ למכסה ומתחת הוא אפס, הוא יהיה באותו גודל שהיה לפני תחילת הניסוי. הניסיון הזה מוכיח שאתה יכול לראות את הלחץ במו עיניך אם הוא גדול יותר בצד אחד מאשר בצד השני, כלומר אם הגז מוסר מצד אחד ומשאירים בצד השני.
המסקנה היא כזו: לחץ הוא כמות שנקבעת על פי ההשפעות של מולקולות, אבל ההשפעות יכולות להיות רבות יותר ופחות רבות. ככל שיותר פגיעות בדפנות הכלי, כך הלחץ גדל. בנוסף, ככל שמהירות הפגיעה של המולקולות בדפנות הכלי גדולה יותר, כך גדל הלחץ שמייצר גז זה.
תלות בלחץ בעוצמת הקול
בוא נגיד שיש לנו מסה מסוימת של העין, כלומר, מספר מסוים של מולקולות. במהלך הניסויים שנבחן, כמות זו אינה משתנה. הגז נמצא בצילינדר עם בוכנה. ניתן להזיז את הבוכנה למעלה ולמטה. החלק העליון של הגליל פתוח, נניח עליו סרט גומי אלסטי. חלקיקי הגז פוגעים בדפנות הכלי ובסרט. כאשר לחץ האוויר בפנים ובחוץ זהה, הסרט שטוח.
אם תזיז את הבוכנה למעלה,מספר המולקולות יישאר זהה, אך המרחק ביניהן יקטן. הם ינועו באותן מהירויות, המסה שלהם לא תשתנה. עם זאת, מספר הפגיעות יגדל מכיוון שהמולקולה צריכה לעבור מרחק קצר יותר כדי להגיע לקיר. כתוצאה מכך, הלחץ צריך לעלות, והסרט צריך להתכופף החוצה. לכן, עם ירידה בנפח, לחץ הגז עולה, אך זאת בתנאי שמסת הגז והטמפרטורה יישארו ללא שינוי.
אם מזיזים את הבוכנה למטה, המרחק בין המולקולות יגדל, כלומר יגדל גם הזמן שייקח להן להגיע לדפנות הגליל והסרט. להיטים יהפכו נדירים יותר. לגז שבחוץ יש לחץ גבוה יותר מזה שבתוך הגליל. לכן, הסרט יתכופף פנימה. מסקנה: לחץ הוא כמות שתלויה בנפח.
תלות הלחץ בטמפרטורה
נניח שיש לנו כלי עם גז בטמפרטורה נמוכה וכלי עם אותו גז באותה כמות בטמפרטורה גבוהה. בכל טמפרטורה, הלחץ של גז נובע מהשפעות של מולקולות. מספר מולקולות הגז בשני הכלים זהה. הנפח זהה, כך שהמרחק בין המולקולות נשאר זהה.
ככל שהטמפרטורה עולה, החלקיקים מתחילים לנוע מהר יותר. כתוצאה מכך, מספר וחוזק ההשפעות שלהם על קירות הכלי גדלים.
הניסוי הבא עוזר לאמת את נכונות האמירה שככל שהטמפרטורה של גז עולה, הלחץ שלו עולה.
קחבקבוק, שצווארו סגור בבלון. מניחים אותו במיכל עם מים חמים. נראה שהבלון מנופח. אם תשנה את המים במיכל לקרים ותניח שם בקבוק, הבלון יתרוקן ואפילו יימשך פנימה.
