От каких величин зависит давление жидкости и газа

Давление в газах

Молекулы газа (как и жидкости) не связаны в жесткую структуру, а двигаются хаотично. Если ограничить жидкость или газ емкостью некоторого объема, то молекулы начнут ударятся о стенки емкости и создавать давление, определяемое формулой $P = {F over S}$.

Очевидно, что молекулы обладают очень малой массой, поэтому сила их удара много меньше площади удара и, соответственно, давление, создаваемое одной молекулой также будет малым. Но вспомним, что при стандартных условиях в одном моле вещества содержится 6⋅1023 молекул. В сумме все молекулы создают ощутимое давление.

Рис. 1. Хаотическое движение молекул газа.

Теперь увеличим количество молекул, но объем оставим неизменным. Ударов о стенки станет больше, давление возрастет. Также давление будет увеличиваться, если скорость хаотического движения молекул возрастет, а скорость, как известно, зависит от температуры газа: $v = {sqrt{3kT over m}}$

Давление в жидкостях

Предыдущие рассуждения справедливы и для жидкостей. Но в них расстояние между молекулами меньше, поэтому при одинаковом объеме жидкость будет иметь большую массу. Рассмотрим столб воды в поле силы тяжести и разобьем его на некоторое количество малых слоев. Самый первый слой будет давить на все нижележащие с силой $F = rho gV$.

Если опуститься на слой ниже, то давление возрастет на ту же величину F. Максимальным давление будет у дна столба.

Рис. 2. Давление столба жидкости.

Давление, зависящее от высоты столба жидкости, называют гидростатическим. Оно определяется формулой:

$p = rho gh$, где h – высота столба. Она получается в результате деления выражения для F на площадь слоя.

Полное давление в жидкостях и газах будет складываться из давления, оказываемого сторонней силой и гидростатического. В земных условиях для жидкостей внешним давлением чаще всего выступает атмосферное. Для газов же необходимо добавить давление, создаваемое хаотическим движением молекул.

Важным является закон для жидкостей и газов, который устанавливает, что внешнее давление распространяется по всему объему вещества без изменения. Его называют законом Паскаля. Благодаря нему справедливо предыдущее утверждение о полном давлении.

Рис. 3. Закон Паскаля.

Задачи

Решение

Т.к. $v = {sqrt{3kT over m}}$, то $T = {mv^2 over 3k}$.

Учитывая, что концентрация $n ={rho over m}$, запишем:

$p = nkT = rho {v^2 over 3}$

Открытый сосуд высотой 2 м на четверть заполнили водой. Определить полное давление на дно сосуда.

Запишем формулу полного давления:

$P = P_0 + rho gh$. Так как сосуд открытый, на него действует атмосферное давление.

Поэтому полное давление будет равно:

$P = 101315 + {1000 cdot 10 cdot 2} = 121315 Па$

Тест по теме

Суть закона Паскаля

Закон Паскаля – давление, которое оказывается на жидкость или газ, передается в каждую точку жидкости или газа без изменений. То есть, передача давления во всех направлениях происходит одинаково.

Данный закон действителен только для жидкостей и газов. Дело в том, что молекулы жидких и газообразных веществ под давлением ведут себя совсем не так, как молекулы твердых тел. Их движение отличается друг от друга. Если молекулы жидкости и газа движутся относительно свободно, то молекулы твердых тел такой свободой не обладают. Они лишь слегка колеблются, немного отклоняясь от исходного положения. И благодаря относительно свободному передвижению молекулы газа и жидкости оказывают давление во всех направлениях.

Формула и основная величина закона Паскаля

Основной величиной в законе Паскаля является давление. Оно измеряется в Паскалях (Па). Давление (P) – отношение силы (F), которая действует на поверхность перпендикулярно, к ее площади (S). Следовательно: P=F/S.

Формулу закона Паскаля можно прочитать следующим образом: Паскаль равен силе в 1Н, которая действует на поверхность площадью 1 кв. метр – 1Па=1Н/кв.м

Особенности давления газа и жидкости

Находясь в закрытом сосуде, мельчайшие частицы жидкостей и газов – молекулы, ударяются о стенки сосуда. Так как эти частицы подвижны, то из места с более высоким давлением они способны передвигаться в место с низким давлением, т.е. в течение короткого времени оно становиться равномерным по всей поверхности занимаемого сосуда.

Этот же эксперимент можно провести с шаром Паскаля. Это круглый шар с имеющимися отверстиями с присоединенным к нему поршнем.

Рис. 1. Блез Паскаль

Определение давления жидкости на дно сосуда происходит по формуле:

p=P/S=gpSh/s

или

p=gρh

Где:

• g – ускорение свободного падения,
• ρ – плотность жидкости (кг/куб.м)
• h – глубина (высота столба жидкости)
• p – давление в паскалях.

Рис. 2. Давление на разных глубинах

Применение закона на практике

Многие законы физики, в том числе и закон Паскаля, применяются на практике. Например, обычный водопровод не мог бы функционировать, если бы в нем не действовал данный закон. Ведь молекулы воды в трубе движутся хаотично и относительно свободно, а значит и давление, оказываемое на стенки водопровода везде одинаковое. Работа гидравлического пресса также основана на законах движения и равновесия жидкостей. Пресс представляет собой два соединенных между собой цилиндра с поршнями. Пространство под поршнями заполняют маслом. Если на меньший поршень площадью S2, действует сила F2, то на больший поршень площадью S1, действует сила F1.

Рис. 3. Гидравлический пресс

Также можно провести эксперимент с сырым и вареным яйцом. Если острым предметом, например, длинным гвоздем, проткнуть сначала одно, а потом другое, то результат будет разным. Крутое яйцо гвоздь пройдет насквозь, а сырое разлетится вдребезги, так как для сырого яйца будет действовать закон Паскаля, а для крутого нет.

Закон Паскаля гласит, что давление во всех точках покоящейся жидкости одинаково, то есть: F1/S1=F2/S2, откуда F2/F1=S2/S1.

Сила F2 во столько же раз больше силы F1, во сколько раз площадь большего поршня больше площади малого.

Тест по теме