Tlak je fyzikálna veličina, ktorá sa vypočíta takto: vydeľte tlakovú silu plochou, na ktorú táto sila pôsobí. Sila tlaku je určená hmotnosťou. Akýkoľvek fyzický objekt vyvíja tlak, pretože má aspoň nejakú váhu. Článok bude podrobne diskutovať o tlaku v plynoch. Príklady ilustrujú, od čoho závisí a ako sa mení.
Rozdiel v tlakových mechanizmoch pevných, kvapalných a plynných látok
Aký je rozdiel medzi kvapalinami, pevnými látkami a plynmi? Prvé dve majú objem. Pevné telesá si zachovávajú svoj tvar. Plyn umiestnený v nádobe zaberá celý jej priestor. Je to spôsobené tým, že molekuly plynu prakticky navzájom neinteragujú. Mechanizmus tlaku plynu sa preto výrazne líši od mechanizmu tlaku kvapalín a pevných látok.
Položme váhu na stôl. Vplyvom gravitácie by sa váha ďalej pohybovala dole cez stôl, ale to sa nedeje. prečo? Pretože molekuly tabuľky sa približujú k molekulám zz ktorých je závažie vyrobené, vzdialenosť medzi nimi sa zmenšuje natoľko, že medzi časticami závažia a stolom vznikajú odpudivé sily. V plynoch je situácia úplne iná.
Atmosférický tlak
Skôr ako sa budeme zaoberať tlakom plynných látok, predstavme si pojem, bez ktorého nie je možné ďalšie vysvetlenia – atmosférický tlak. To je efekt, ktorý má vzduch (atmosféra) okolo nás. Vzduch sa nám zdá iba beztiažový, v skutočnosti má váhu, a aby sme to dokázali, urobme experiment.
Zvážime vzduch v sklenenej nádobe. Vchádza tam cez gumenú hadičku v krku. Odstráňte vzduch pomocou vákuovej pumpy. Odvážime banku bez vzduchu, potom otvoríme kohútik a keď vzduch vstúpi, jeho hmotnosť sa pripočíta k hmotnosti banky.
Tlak v nádobe
Poďme zistiť, ako plyny pôsobia na steny nádob. Molekuly plynu prakticky navzájom neinteragujú, ale nerozptyľujú sa od seba. To znamená, že sa stále dostanú k stenám plavidla a potom sa vrátia. Keď molekula narazí na stenu, jej náraz pôsobí na nádobu určitou silou. Táto sila je krátkodobá.
Ďalší príklad. Hodíme loptu na hárok kartónu, loptička sa odrazí a kartón sa trochu odchýli. Nahraďte loptu pieskom. Nárazy budú maličké, ani ich nebudeme počuť, ale ich sila narastie. Hárok bude neustále odmietaný.
Teraz si vezmime najmenšie častice, napríklad častice vzduchu, ktoré máme v pľúcach. Fúkame na lepenku a bude sa odchyľovať. Silímemolekuly vzduchu narážajú na lepenku, v dôsledku čoho na ňu pôsobí sila. čo je to za moc? Toto je sila tlaku.
Na záver: tlak plynu je spôsobený nárazmi molekúl plynu na steny nádoby. Mikroskopické sily, ktoré pôsobia na steny, sa sčítajú a dostaneme to, čo sa nazýva tlaková sila. Výsledkom delenia sily plochou je tlak.
Vynára sa otázka: prečo, keď vezmete do ruky hárok kartónu, nevychýli sa? Je predsa v plyne, teda vo vzduchu. Pretože dopady molekúl vzduchu na jednu a druhú stranu plechu sa navzájom vyrovnávajú. Ako skontrolovať, či molekuly vzduchu skutočne narážajú na stenu? Dá sa to dosiahnuť odstránením nárazov molekúl na jednej strane, napríklad odčerpaním vzduchu.
Experiment
Existuje špeciálne zariadenie – vákuová pumpa. Ide o sklenenú nádobu na vákuovej platni. Má gumové tesnenie, takže medzi uzáverom a doskou nie je žiadna medzera, aby k sebe tesne priliehali. K vákuovej jednotke je pripevnený manometer, ktorý meria rozdiel tlaku vzduchu vonku a pod kapotou. Kohútik umožňuje pripojenie hadice vedúcej k čerpadlu do priestoru pod kapotou.
Umiestnite pod čiapku mierne nafúknutý balón. Vďaka tomu, že je mierne nafúknutá, sú kompenzované dopady molekúl vnútri lopty aj mimo nej. Guľu zakryjeme uzáverom, zapneme vákuovú pumpu, otvoríme kohútik. Na tlakomere uvidíme, že rozdiel medzi vzduchom vo vnútri a vonku rastie. A čo balón? Zväčšuje sa vo veľkosti. Tlak, teda dopady molekúlmimo loptu, stále menšie. Častice vzduchu vo vnútri lopty zostávajú, je narušená kompenzácia otrasov zvonku a zvnútra. Objem loptičky narastá vďaka tomu, že tlakovú silu molekúl vzduchu zvonku čiastočne preberá elastická sila gumy.
Teraz zatvorte kohútik, vypnite čerpadlo, znova kohútik otvorte, odpojte hadicu, aby sa pod uzáver dostal vzduch. Lopta sa začne zmenšovať. Keď je rozdiel tlaku vonku a pod uzáverom nulový, bude mať rovnakú veľkosť ako pred začiatkom experimentu. Táto skúsenosť dokazuje, že tlak môžete vidieť na vlastné oči, ak je na jednej strane väčší ako na druhej, t. j. ak je plyn odstránený z jednej strany a ponechaný na druhej.
Záver je tento: tlak je veličina, ktorá je určená vplyvmi molekúl, ale vplyvy môžu byť početnejšie a menej početné. Čím viac úderov na steny nádoby, tým väčší tlak. Okrem toho, čím väčšia je rýchlosť molekúl narážajúcich na steny nádoby, tým väčší tlak vytvára tento plyn.
Závislosť tlaku od objemu
Povedzme, že máme určitú hmotnosť oka, teda určitý počet molekúl. V priebehu experimentov, ktoré budeme uvažovať, sa toto množstvo nemení. Plyn je vo valci s piestom. Piest sa dá pohybovať hore a dole. Horná časť valca je otvorená, dáme na ňu elastickú gumenú fóliu. Častice plynu narážajú na steny nádoby a film. Keď je tlak vzduchu vo vnútri a vonku rovnaký, fólia je plochá.
Ak posuniete piest nahor,počet molekúl zostane rovnaký, ale vzdialenosť medzi nimi sa zníži. Budú sa pohybovať rovnakými rýchlosťami, ich hmotnosť sa nezmení. Počet zásahov sa však zvýši, pretože molekula musí prejsť kratšiu vzdialenosť, aby sa dostala k stene. V dôsledku toho by sa mal zvýšiť tlak a film by sa mal ohýbať smerom von. Preto so znížením objemu tlak plynu rastie, ale to za predpokladu, že hmotnosť plynu a teplota zostanú nezmenené.
Ak posuniete piest nadol, vzdialenosť medzi molekulami sa zväčší, čo znamená, že čas, ktorý im bude trvať, kým sa dostanú k stenám valca a filmu, sa tiež zvýši. Zásahy budú čoraz zriedkavejšie. Plyn vonku má vyšší tlak ako ten vo vnútri valca. Preto sa fólia ohne dovnútra. Záver: tlak je veličina, ktorá závisí od objemu.
Závislosť tlaku od teploty
Predpokladajme, že máme nádobu s plynom pri nízkej teplote a nádobu s rovnakým plynom v rovnakom množstve pri vysokej teplote. Pri akejkoľvek teplote je tlak plynu spôsobený nárazmi molekúl. Počet molekúl plynu v oboch nádobách je rovnaký. Objem je rovnaký, takže vzdialenosť medzi molekulami zostáva rovnaká.
Ako teplota stúpa, častice sa začínajú pohybovať rýchlejšie. V dôsledku toho sa zvyšuje počet a sila ich nárazov na steny plavidla.
Nasledujúci experiment pomáha overiť správnosť tvrdenia, že so zvyšovaním teploty plynu sa zvyšuje jeho tlak.
Vezmifľaša, ktorej hrdlo je uzavreté balónom. Vložte ju do nádoby s horúcou vodou. Uvidíme, že balón je nafúknutý. Ak vymeníte vodu v nádobe na studenú a umiestnite tam fľašu, balón sa vyfúkne a dokonca sa vtiahne dovnútra.
