Физика: налягането на твърди вещества, течности и газове

Един от важните параметри, който характеризира трите основни състояния на материята по различни начини (газ, твърдо вещество и течност) е налягането. В статията се разглеждат основните въпроси на физиката на налягането на твърди вещества, течности и газове.

Три агрегирани състояния на материята

Преди да се обърнем към въпроса за натиска във физиката, ние определяме твърди, течни и газообразни тела, които са основните начини за съществуване на материята на нашата планета.

Твърдото тяло на практика не показва флуидност и този факт характеризира основната разлика между твърдите вещества и течностите и газовете. Частиците, които образуват твърдо вещество (молекули, атоми), са в определени пространствени положения и ги променят много рядко. Ето защо всяко влияние на външна сила върху твърдо тяло води до появата на противоположни сили в нея, които се стремят да запазят формата и обема.

Течностите и газовете са течни състояния на материята, т.е. дори минималното въздействие на външна сила върху тях ще доведе до промяна в тяхната форма. Както в течностите, така и в газовете, частиците, от които са съставени, нямат определено място в пространството и непрекъснато скачат от една позиция на друга. Тези течни състояния се различават по силата на взаимодействието между техните частици. Така в течностите силата на взаимодействие между атоми и молекули, макар и с порядък по-малка от тази в твърдо вещество, все още остава значителна, за да се запази обема, зает от течността. Това означава, че течностите са практически несвиваеми. В газовете обаче силата на взаимодействие между частиците, които ги образуват, може да бъде пренебрегната, така че газовете винаги да заемат произволно голям обем, който е на тяхно разположение.

Имайте предвид, че има четвърто състояние на материята - плазма, която е сходна на газа в нейните свойства, но се различава от нея по това, че нейните характеристики до голяма степен се определят от магнитни и електрически ефекти. Повечето от материята във Вселената е точно в състояние на плазма.

Понятието за натиск във физиката

За да разберете какво е натискът, първо трябва да разгледате понятието сила. Силата във физиката се разбира като интензивността на въздействието или взаимодействието между телата. Например, при формулирането на втория закон на Нютон, силата се разбира като физическа величина от всяка природа, която е способна да придаде определено ускорение на тяло с крайна маса. В Международната система от единици, силата се измерва в нютони (N). Сила от 1 N е в състояние да променя скоростта на тялото с тегло 1 kg на 1 m всяка секунда.

Налягането е количество, което се определя като перпендикулярна компонента на силата, свързана с повърхност с определена площ, т.е.

P = F / S, където

P - налягане, S - площ, F - сила.

Измерването на налягането във физиката се извършва в паскали (Pa), 1 [Pa] = 1 [H] / 1 [m2].

Ако силата F действа под определен ъгъл спрямо повърхността, тогава за изчисляване на налягането е необходимо да се определи перпендикулярният компонент на силата към тази повърхност. Силата, действаща тангенциално на повърхността, не създава никакъв натиск.

Твърди вещества и налягане

Тъй като силата и повърхността на удара са необходими за създаване на налягане, това не е възможно в случай на твърди вещества, тъй като те са в равновесно състояние. Всъщност, всяка частица в твърдото тяло заема определена позиция и получената сила, която действа върху тази частица от околната среда, е нула. Следователно, като се има предвид физиката на натиска на твърдите вещества, имаме предвид участието на външни обекти, с които тези тела взаимодействат.

Например, ако вземете метална пръчка и я сложите на пясъка с по-голяма равнина, тогава ще започне да създава известно налягане върху повърхността на пясъка. Сега, ако поставим същия дървен материал на пясъка с по-малка равнина, тогава можем да видим, че той ще се потопи в пясъка до определена дълбочина. Причината за това явление ще бъде различното налягане, оказвано от металния прът върху пясъка в различните му позиции. От формулата за налягането Р = F / S може да се види, че колкото по-малка е площта, толкова по-голямо налягане създава твърдо тяло върху повърхността на опората. В случай на лента, силата F остава постоянна във всичките си позиции и е равна на теглото на шината:

m × g където

m и g са съответно масата на гредата и ускорението на гравитацията.

Налягане на флуида

Тъй като газовете и течностите са представители на течната материя, физиката на налягането в течност и газ се характеризира с факта, че и двете състояния на материята във всеки безкрайно малък обем от тях упражняват едно и също налягане във всички пространствени посоки. Обаче, ако разглежданият обем ще има някакви крайни размери, тогава за течностите ще започне да играе ролята на гравитационната сила, с която горните слоеве действат върху долните слоеве. Тази сила води до концепцията за хидростатично налягане.

Във физиката хидростатичното налягане се определя като налягане, с което течността действа върху тялото, потопено в него. Това налягане се изчислява по формулата:

P = ρ × g × h, където

ρ и h са съответно плътността и дълбочината на течността.

Налягане в газообразни среди

Отчитайки газовете, трябва да се каже, че налягането в тях е свързано изключително с произволното движение на атоми и молекули.

Да предположим, че в някой съд има затворен газ. Тъй като частиците му се движат случайно във всички посоки по същия начин, когато достигнат стените на съда, те ще започнат да ги ударят, т.е. да създадат натиск. Разбира се, въздействието на една-единствена частица ще създаде много малък натиск, ако се има предвид, че има много от тези частици (по реда на числото на Авогадро N _A = 6.02 * 10 ²³ ), и че те се движат с високи скорости (около 1000 m / s), след това налягането, упражнявано върху стените на съда, се забелязва на практика.

За разлика от течностите, газовите частици не взаимодействат един с друг (приближението на идеалния газ), така че няма смисъл да говорим за налягането на горните газови слоеве до по-ниските.

Какво определя налягането в газа?

Знаейки естеството на появата на налягане в газовете, може да се предположи, че ако увеличим броя на частиците, удрящи стените на съда и увеличим силата на тези въздействия, тогава налягането трябва да се увеличи. В тази връзка, промяната в налягането в газа определят следните фактори.

• Концентрация на частици Тя може да бъде увеличена чрез намаляване на обема, който газът поема. При постоянна температура промяната в обема ще повлияе обратно на налягането.
• Температура. Тъй като тази стойност определя кинетичната енергия на газовите частици, нейното увеличение, с други постоянни параметри на системата, ще доведе до увеличаване на налягането.

Налягане на земната атмосфера

Тъй като атмосферата на нашата планета е смес от газове (главно азот и кислород), физиката на атмосферното налягане няма да се различава от физиката на описанието на това количество за газовете. По този начин налягането на въздуха на повърхността на Земята е 101 325 Pa или 100 kPa, което съответства на налягане от 760 mm Hg.

С увеличаване на надморската височина, концентрацията на молекулите на въздуха започва да намалява, тъй като гравитацията намалява, а вече на височината на Еверест (8,848 m), налягането на въздуха пада до 34 kPa, което е 1/3 от това налягане на морското равнище. Подобно намаляване на атмосферното налягане е сериозна заплаха за човешкия живот.

Пример за решаване на проблема

Всяко решение на проблема с физиката върху налягането се извършва с помощта на формули и концепции, които са обсъдени в статията. Даваме пример за решаване на един от тези проблеми.

За практически цели, атмосферното налягане във физиката обикновено се изразява в милиметри живак. Какво е налягането в милиметри живак в горната част на Еверест?

От горепосочената информация е известно, че на върха на най-високата планина в света налягането на въздуха е 34 kPa. За да определим каква височина трябва да бъде живачната колона, така че да балансира това атмосферно налягане, използваме формулата за хидростатично налягане:

P = ρ × g × h,

откъде

h = P / (ρ × g), където

ρ = 13 540 kg / m ³ - плътността на живака,

g = 9.81 m / s ² .

Подменяйки известните стойности във формулата, получаваме:

h = 0.256 m = 256 mm.

Този проблем може да бъде решен по друг начин. Знаейки, че налягането на въздуха в близост до повърхността на планетата е 101 kPa, и това съответства на налягане от 760 mm от живачен стълб, е възможно да се получи височината на живачния стълб на височината на Еверест чрез проста пропорция:

h = 34 × 760/101 = 256 mm.