Tlak je fyzikální veličina, která se vypočítá následovně: vydělte tlakovou sílu plochou, na kterou tato síla působí. Síla tlaku je určena hmotností. Jakýkoli fyzický objekt vyvíjí tlak, protože má alespoň nějakou váhu. Článek bude podrobně diskutovat o tlaku v plynech. Příklady ilustrují, na čem závisí a jak se mění.
Rozdíl v tlakových mechanismech pevných, kapalných a plynných látek
Jaký je rozdíl mezi kapalinami, pevnými látkami a plyny? První dva mají objem. Pevná tělesa si zachovávají svůj tvar. Plyn umístěný v nádobě zabírá veškerý její prostor. To je způsobeno skutečností, že molekuly plynu spolu prakticky neinteragují. Mechanismus tlaku plynu se proto výrazně liší od mechanismu tlaku kapalin a pevných látek.
Položme váhu na stůl. Vlivem gravitace by se váha dále pohybovala po stole dolů, ale to se neděje. Proč? Protože molekuly tabulky se přibližují k molekulámze kterých je závaží vyrobeno, vzdálenost mezi nimi se zmenší natolik, že mezi částicemi závaží a stolem vznikají odpudivé síly. V plynech je situace úplně jiná.
Atmosférický tlak
Než budeme uvažovat o tlaku plynných látek, uveďme pojem, bez kterého není možné další vysvětlení – atmosférický tlak. To je efekt, který má vzduch (atmosféra) kolem nás. Vzduch se nám zdá pouze beztížný, ve skutečnosti má váhu, a abychom to dokázali, proveďte experiment.
Zvážíme vzduch ve skleněné nádobě. Dostává se tam gumovou hadičkou v krku. Odstraňte vzduch pomocí vakuové pumpy. Zvažme baňku bez vzduchu, pak otevřeme kohoutek, a když vzduch vstoupí, jeho hmotnost se připočte k hmotnosti baňky.
Tlak v nádobě
Pojďme zjistit, jak plyny působí na stěny nádob. Molekuly plynu spolu prakticky neinteragují, ale nerozptylují se od sebe. To znamená, že se stále dostanou ke stěnám plavidla a poté se vrátí. Když molekula narazí na stěnu, její dopad působí na nádobu určitou silou. Tato síla je krátkodobá.
Další příklad. Hodíme míč na list lepenky, míček odskočí a lepenka se trochu vychýlí. Nahradíme míč pískem. Dopady budou nepatrné, ani je neuslyšíme, ale jejich síla naroste. List bude neustále odmítán.
Teď si vezměme ty nejmenší částice, například částice vzduchu, které máme v plicích. Foukáme na lepenku a bude se odchylovat. Vnucujememolekuly vzduchu narazí na lepenku, v důsledku toho na ni působí síla. co je to za sílu? Toto je síla tlaku.
Uzavřeme: tlak plynu je způsoben dopady molekul plynu na stěny nádoby. Mikroskopické síly, které působí na stěny, se sčítají a dostaneme to, čemu se říká tlaková síla. Výsledkem dělení síly plochou je tlak.
Vyvstává otázka: proč, když vezmete do ruky list kartonu, nevychýlí se? Je totiž v plynu, tedy ve vzduchu. Protože údery molekul vzduchu z jedné a druhé strany plechu se vzájemně vyrovnávají. Jak zkontrolovat, zda molekuly vzduchu skutečně narazí na zeď? Toho lze dosáhnout odstraněním dopadů molekul na jedné straně, například odčerpáním vzduchu.
Experiment
Existuje speciální zařízení – vakuová pumpa. Jedná se o skleněnou nádobu na vakuové desce. Má gumové těsnění, takže mezi uzávěrem a deskou není žádná mezera, takže k sobě těsně přiléhají. K vakuové jednotce je připevněn manometr, který měří rozdíl tlaku vzduchu venku a pod kapotou. Baterie umožňuje připojení hadice vedoucí k čerpadlu do prostoru pod kapotou.
Umístěte pod čepici mírně nafouknutý balónek. Díky tomu, že je mírně nafouknutý, jsou kompenzovány dopady molekul uvnitř míče i mimo něj. Kouli přikryjeme uzávěrem, zapneme vakuovou pumpu, otevřeme kohoutek. Na tlakoměru uvidíme, že rozdíl mezi vzduchem uvnitř a venku roste. Co třeba balon? Zvětšuje velikost. Tlak, tedy dopady molekulmimo míč, stále menší. Částice vzduchu uvnitř míče zůstávají, kompenzace otřesů zvenčí i zevnitř je narušena. Objem míče roste díky tomu, že tlaková síla molekul vzduchu zvenčí je částečně převzata elastickou silou gumy.
Nyní zavřete kohoutek, vypněte čerpadlo, kohoutek znovu otevřete, odpojte hadici, aby pod uzávěrem mohl vzduch. Kulička se začne zmenšovat. Když je tlakový rozdíl vně a pod uzávěrem nulový, bude mít stejnou velikost jako před začátkem experimentu. Tato zkušenost dokazuje, že tlak můžete vidět na vlastní oči, pokud je na jedné straně větší než na druhé, tedy pokud je plyn odstraněn z jedné strany a ponechán na druhé.
Závěr je tento: tlak je veličina, která je určena dopady molekul, ale dopady mohou být četnější a méně četné. Čím více zásahů do stěn nádoby, tím větší je tlak. Navíc, čím větší rychlost molekul narážejí na stěny nádoby, tím větší je tlak vytvářený tímto plynem.
Závislost tlaku na objemu
Řekněme, že máme určitou hmotnost oka, tedy určitý počet molekul. V průběhu experimentů, které budeme uvažovat, se tato veličina nemění. Plyn je ve válci s pístem. Pístem lze pohybovat nahoru a dolů. Horní část válce je otevřená, navlékneme na ni elastickou gumovou fólii. Částice plynu narážejí na stěny nádoby a film. Když je tlak vzduchu uvnitř a venku stejný, fólie je plochá.
Pokud posunete píst nahoru,počet molekul zůstane stejný, ale zmenší se vzdálenost mezi nimi. Budou se pohybovat stejnou rychlostí, jejich hmotnost se nezmění. Počet zásahů se však zvýší, protože molekula musí urazit kratší vzdálenost, aby dosáhla stěny. V důsledku toho by se měl zvýšit tlak a fólie by se měla ohýbat směrem ven. S poklesem objemu tedy roste tlak plynu, ale to za předpokladu, že hmotnost plynu a teplota zůstanou nezměněny.
Pokud posunete píst dolů, vzdálenost mezi molekulami se zvětší, což znamená, že se prodlouží i doba, za kterou se dostanou ke stěnám válce a filmu. Zásahy budou vzácnější. Plyn venku má vyšší tlak než ten uvnitř válce. Proto se fólie ohne dovnitř. Závěr: tlak je veličina, která závisí na objemu.
Závislost tlaku na teplotě
Předpokládejme, že máme nádobu s plynem o nízké teplotě a nádobu se stejným plynem ve stejném množství při vysoké teplotě. Při jakékoli teplotě je tlak plynu způsoben dopady molekul. Počet molekul plynu v obou nádobách je stejný. Objem je stejný, takže vzdálenost mezi molekulami zůstává stejná.
Jak teplota stoupá, částice se začnou pohybovat rychleji. V důsledku toho se zvyšuje počet a síla jejich dopadů na stěny plavidla.
Následující experiment pomáhá ověřit správnost tvrzení, že s rostoucí teplotou plynu roste jeho tlak.
Vezměteláhev, jejíž hrdlo je uzavřeno balónkem. Umístěte jej do nádoby s horkou vodou. Uvidíme, že se balón nafoukne. Pokud změníte vodu v nádobě na studenou a umístíte tam láhev, balónek se vyfoukne a dokonce bude vtažen dovnitř.
