Fizyka: ciśnienie ciał stałych, cieczy i gazów

Jednym z ważnych parametrów charakteryzujących trzy podstawowe stany materii na różne sposoby (gaz, ciało stałe i ciecz) jest ciśnienie. W artykule omówiono główne zagadnienia z zakresu fizyki ciśnienia ciał stałych, cieczy i gazów.

Trzy zagregowane stany materii

Zanim przejdziemy do zagadnienia presji w fizyce, definiujemy ciała stałe, ciekłe i gazowe, które są głównymi sposobami istnienia materii na naszej planecie.

Ciało stałe praktycznie nie wykazuje płynności, a fakt ten charakteryzuje główną różnicę między ciałami stałymi a cieczami i gazami. Cząsteczki tworzące bryłę (cząsteczki, atomy) znajdują się w pewnych pozycjach przestrzennych i zmieniają je bardzo rzadko. Dlatego jakikolwiek wpływ siły zewnętrznej na ciało stałe prowadzi do pojawienia się w nim przeciwnych sił, starających się zachować kształt i objętość.

Ciecze i gazy są płynnymi stanami materii, to znaczy nawet minimalny wpływ zewnętrznej siły na nie powoduje zmianę ich kształtu. Zarówno w cieczach, jak iw gazach, cząstki, z których się składają, nie mają określonego miejsca w przestrzeni i ciągle przeskakują z jednej pozycji do drugiej. Te stany płynów różnią się siłą oddziaływań między ich cząstkami. Tak więc, w cieczach, siła oddziaływania między atomami i cząsteczkami, chociaż o rząd wielkości mniejsza niż w ciałach stałych, wciąż pozostaje znacząca w celu utrzymania objętości zajmowanej przez ciecz. Oznacza to, że płyny są praktycznie nieściśliwe. W gazach można jednak pominąć siłę oddziaływania między tworzącymi je cząstkami, tak więc gazy zawsze zajmują dowolnie dużą objętość, która jest do ich dyspozycji.

Zauważ, że istnieje czwarty stan materii - plazma, który jest podobny do gazu w swoich właściwościach, ale różni się od niego tym, że jego właściwości są w dużej mierze zdeterminowane przez efekty magnetyczne i elektryczne. Większość materii we wszechświecie jest dokładnie w stanie plazmy.

Pojęcie ciśnienia w fizyce

Aby zrozumieć, czym jest presja, najpierw należy rozważyć koncepcję siły. Siła w fizyce jest rozumiana jako intensywność oddziaływania lub interakcji między ciałami. Na przykład, formułując drugie prawo Newtona, siła jest rozumiana jako fizyczna wielkość dowolnej natury, która jest w stanie nadać pewne przyspieszenie ciału o skończonej masie. W Międzynarodowym Systemie Jednostek siła jest mierzona w niutonach (N). Siła 1 N jest zdolna do zmiany prędkości ciała o masie 1 kg na 1 m na sekundę.

Ciśnienie jest to wielkość określona jako prostopadły składnik siły, odnoszący się do powierzchni o określonym obszarze, to znaczy:

P = F / S, gdzie

P - ciśnienie, S - powierzchnia, F - siła.

Pomiar ciśnienia w fizyce odbywa się w paskach (Pa), 1 [Pa] = 1 [H] / 1 [m ² ].

Jeżeli siła F działa pod pewnym kątem względem powierzchni, to aby obliczyć ciśnienie, konieczne jest określenie prostopadłej składowej siły na tej powierzchni. Siła działająca stycznie na powierzchnię nie wytwarza żadnego ciśnienia.

Ciała stałe i ciśnienie

Ponieważ siła i powierzchnia uderzenia są potrzebne do wytworzenia ciśnienia, nie jest to możliwe w przypadku ciał stałych, ponieważ są one w stanie równowagi. Rzeczywiście, każda cząstka w postaci stałej przyjmuje określoną pozycję, a siła wypadkowa działająca na tę cząsteczkę z jej otoczenia wynosi zero. Dlatego mówiąc o fizyce ciśnienia ciał stałych, mamy na myśli udział zewnętrznych obiektów, z którymi te ciała wchodzą w interakcje.

Na przykład, jeśli weźmiesz metalowy pręt i położysz go na piasku z większą płaszczyzną, wtedy zacznie on wywierać pewien nacisk na powierzchnię piasku. Teraz, jeśli umieścimy to samo drewno na piasku z mniejszą płaszczyzną, wtedy zobaczymy, że zanurzy się w piasku na pewną głębokość. Przyczyną tego zjawiska będzie różny nacisk wywierany przez metalowy pręt na piasek w różnych pozycjach. Ze wzoru na ciśnienie P = F / S widać, że im mniejszy obszar, tym większe ciśnienie tworzy stałe ciało na powierzchni podpory. W przypadku pręta siła F pozostała stała we wszystkich pozycjach i była równa masie pręta:

m × g gdzie

m i g to odpowiednio masa wiązki i przyspieszenie grawitacji.

Ciśnienie płynu

Ponieważ gazy i ciecze są przedstawicielami materii płynnej, fizyka ciśnienia w cieczy i gazie charakteryzuje się tym, że oba stany materii w dowolnej nieskończenie małej objętości wywierają takie samo ciśnienie we wszystkich kierunkach przestrzennych. Jednakże, jeśli rozpatrywana objętość będzie miała pewne skończone wymiary, wówczas dla cieczy, siła grawitacji zacznie odgrywać rolę, z którą górne warstwy działają na niższe warstwy. Siła ta prowadzi do koncepcji ciśnienia hydrostatycznego.

W fizyce ciśnienie hydrostatyczne definiuje się jako ciśnienie, z jakim płyn działa na ciało zanurzone w nim. To ciśnienie jest obliczane według wzoru:

P = ρ × g × h, gdzie

ρ i h oznaczają odpowiednio gęstość płynu i głębokość.

Ciśnienie w ośrodkach gazowych

Biorąc pod uwagę gazy, należy stwierdzić, że ciśnienie w nich jest związane wyłącznie z przypadkowym ruchem atomów i cząsteczek.

Załóżmy, że w jakimś naczyniu znajduje się zamknięty gaz. Ponieważ jego cząsteczki poruszają się losowo we wszystkich kierunkach w ten sam sposób, kiedy dotrą do ścian statku, zaczną je uderzać, to znaczy wytwarzać ciśnienie. Oczywiście, uderzenie pojedynczej cząstki stworzy bardzo mały nacisk, jeśli weźmiemy pod uwagę, że istnieje wiele z tych cząstek (na poziomie liczby Avogadro N _A = 6,02 * 10 ²³ ) i że poruszają się one z dużymi prędkościami (około 1000 m / s), wówczas nacisk wywierany na ściany statku staje się zauważalny w praktyce.

W przeciwieństwie do płynów, cząsteczki gazów nie oddziałują ze sobą (przybliżenie idealnego gazu), dlatego nie ma sensu mówić o ciśnieniu górnych warstw gazu do dolnych.

Co decyduje o ciśnieniu w gazie?

Znając naturę pojawienia się ciśnienia w gazach, można założyć, że jeśli zwiększymy liczbę cząstek uderzających w ścianki naczynia i zwiększymy siłę tych uderzeń, wówczas ciśnienie powinno wzrosnąć. W związku z tym następujące czynniki determinują zmianę ciśnienia w gazie.

• Koncentracja cząstek Można go zwiększyć, zmniejszając objętość gazu. Przy stałej temperaturze zmiana głośności będzie miała odwrotny wpływ na ciśnienie.
• Temperatura Ponieważ ta wartość określa energię kinetyczną cząstek gazu, jej wzrost wraz z innymi stałymi parametrami układu prowadzi do wzrostu ciśnienia.

Ciśnienie atmosfery ziemskiej

Ponieważ atmosfera naszej planety jest mieszaniną gazów (głównie azotu i tlenu), fizyka ciśnienia atmosferycznego nie będzie się różnić od fizyki opisu tej ilości dla gazów. Tak więc ciśnienie powietrza na powierzchni Ziemi wynosi 101 325 Pa lub 100 kPa, co odpowiada ciśnieniu 760 mm Hg.

Wraz ze wzrostem wysokości stężenia cząsteczek powietrza zaczynają spadać, ponieważ grawitacja maleje, a już na wysokości Mount Everest (8848 m), ciśnienie powietrza spada do 34 kPa, co stanowi 1/3 tego ciśnienia na poziomie morza. Takie obniżenie ciśnienia atmosferycznego stanowi poważne zagrożenie dla życia ludzkiego.

Przykład rozwiązania problemu

Każde rozwiązanie problemu fizyki pod ciśnieniem przeprowadza się za pomocą wzorów i pojęć omawianych w artykule. Podajemy przykład rozwiązania jednego z tych problemów.

Ze względów praktycznych ciśnienie atmosferyczne w fizyce jest zwykle wyrażane w milimetrach słupa rtęci. Jakie jest ciśnienie w milimetrach słupa rtęci na szczycie Everestu?

Z powyższych informacji wynika, że ​​na szczycie najwyższej góry świata ciśnienie powietrza wynosi 34 kPa. Aby określić, na jakiej wysokości powinna być kolumna rtęci, aby balansować to ciśnienie atmosferyczne, użyjmy wzoru na ciśnienie hydrostatyczne:

P = ρ × g × h,

skąd

h = P / (ρ × g), gdzie

ρ = 13 540 kg / m ³ - gęstość rtęci,

g = 9,81 m / s ² .

Zamieniając znane wartości na formułę, otrzymujemy:

h = 0,256 m = 256 mm.

Ten problem można rozwiązać w inny sposób. Wiedząc, że ciśnienie powietrza w pobliżu powierzchni planety wynosi 101 kPa, a to odpowiada ciśnieniu 760 mm słupa rtęci, możliwe jest uzyskanie wysokości słupa rtęci na wysokości Everestu przez prosty stosunek:

h = 34 x 760/101 = 256 mm.