Áp suất là một đại lượng vật lý được tính như sau: chia lực ép cho diện tích mà lực này tác dụng. Lực ép được xác định bởi trọng lượng. Bất kỳ vật thể vật chất nào cũng tạo ra áp lực bởi vì nó có ít nhất một trọng lượng nào đó. Bài báo sẽ đề cập chi tiết về áp suất trong chất khí. Các ví dụ sẽ minh họa nó phụ thuộc vào điều gì và nó thay đổi như thế nào.
Sự khác biệt trong cơ chế áp suất của các chất rắn, lỏng và khí
Sự khác nhau giữa chất lỏng, chất rắn và chất khí là gì? Hai phần đầu có âm lượng. Cơ thể rắn vẫn giữ nguyên hình dạng. Một chất khí đặt trong một bình chiếm hết chỗ của nó. Điều này là do các phân tử khí thực tế không tương tác với nhau. Do đó, cơ chế của áp suất chất khí khác hẳn với cơ chế của áp suất chất lỏng và chất rắn.
Hãy cùng đặt lên bàn cân. Dưới tác dụng của trọng lực, trọng lượng sẽ tiếp tục di chuyển xuống dưới bàn, nhưng điều này không xảy ra. Tại sao? Bởi vì các phân tử của bàn đang tiến đến các phân tử từmà quả nặng tạo ra thì khoảng cách giữa chúng giảm đi nhiều làm phát sinh lực đẩy giữa các hạt của quả cân và mặt bàn. Ở các chất khí, tình hình hoàn toàn khác.
Áp suất khí quyển
Trước khi xem xét áp suất của các chất ở thể khí, chúng ta hãy giới thiệu một khái niệm mà không thể giải thích thêm được nữa - áp suất khí quyển. Đây là hiệu ứng mà không khí (bầu không khí) xung quanh chúng ta có. Đối với chúng ta, không khí dường như không trọng lượng, trên thực tế nó có trọng lượng, và để chứng minh điều này, chúng ta hãy tiến hành một thí nghiệm.
Chúng tôi sẽ cân không khí trong bình thủy tinh. Nó đi vào đó thông qua một ống cao su ở cổ. Loại bỏ không khí bằng bơm chân không. Hãy cân cái bình không có không khí, sau đó mở vòi và khi không khí đi vào, trọng lượng của nó sẽ cộng với trọng lượng của bình.
Áp suất trong bình
Hãy tìm hiểu cách các chất khí tác động lên thành bình. Các phân tử khí thực tế không tương tác với nhau, nhưng chúng không phân tán ra khỏi nhau. Điều này có nghĩa là họ vẫn đến được thành bình, và sau đó quay trở lại. Khi một phân tử va vào tường, tác động của nó sẽ tác dụng lên bình một lực. Sức mạnh này chỉ tồn tại trong thời gian ngắn.
Một ví dụ khác. Hãy ném một quả bóng vào một tấm bìa cứng, quả bóng sẽ nảy lên và tấm bìa cứng sẽ lệch đi một chút. Hãy thay thế quả bóng bằng cát. Các tác động sẽ rất nhỏ, chúng ta thậm chí sẽ không nghe thấy chúng, nhưng sức mạnh của chúng sẽ tích tụ. Trang tính sẽ liên tục bị từ chối.
Bây giờ chúng ta hãy lấy các hạt nhỏ nhất, ví dụ như các hạt không khí mà chúng ta có trong phổi. Chúng tôi thổi vào bìa cứng, và nó sẽ bị lệch. Chúng tôi buộccác phân tử không khí va vào bìa cứng, do đó, một lực tác động lên nó. Sức mạnh này là gì? Đây là lực ép.
Hãy kết luận: áp suất khí là do tác động của các phân tử khí lên thành bình. Các lực vi mô tác động lên các bức tường cộng lại và chúng ta nhận được cái gọi là lực ép. Kết quả của việc phân chia lực theo diện tích là áp suất.
Câu hỏi đặt ra: tại sao, nếu bạn cầm một tờ bìa cứng trên tay, nó không bị lệch? Rốt cuộc, nó ở trong khí, tức là ở trong không khí. Vì tác động của các phân tử không khí lên mặt này và mặt kia của tờ giấy cân bằng lẫn nhau. Làm thế nào để kiểm tra xem các phân tử không khí có thực sự va vào tường hay không? Điều này có thể được thực hiện bằng cách loại bỏ tác động của các phân tử ở một phía, chẳng hạn như bằng cách bơm không khí ra ngoài.
Thử nghiệm
Có một thiết bị đặc biệt - một máy bơm chân không. Đây là một lọ thủy tinh trên một tấm chân không. Nó có một miếng đệm cao su để không có khoảng cách giữa nắp và tấm để chúng vừa khít với nhau. Một áp kế được gắn vào bộ phận chân không, đo sự chênh lệch áp suất không khí bên ngoài và bên dưới mui xe. Vòi cho phép ống dẫn đến máy bơm được kết nối với không gian bên dưới máy hút mùi.
Đặt một quả bóng hơi phồng dưới nắp. Do thực tế là nó hơi bị phồng lên, các tác động của các phân tử bên trong quả bóng và bên ngoài quả bóng được bù đắp. Chúng tôi đậy bóng bằng nắp, bật máy bơm chân không, mở vòi. Trên đồng hồ áp suất, chúng ta sẽ thấy rằng sự chênh lệch giữa không khí bên trong và bên ngoài ngày càng lớn. Còn khinh khí cầu thì sao? Nó tăng kích thước. Áp suất, tức là tác động của các phân tửbên ngoài bóng, nhỏ dần. Các hạt không khí bên trong quả bóng vẫn còn, việc bù các cú sốc từ bên ngoài và từ bên trong bị vi phạm. Thể tích của quả bóng lớn lên do một phần lực đàn hồi của cao su.
Bây giờ đóng vòi, tắt máy bơm, mở vòi một lần nữa, ngắt kết nối vòi để không khí dưới nắp. Quả bóng sẽ bắt đầu thu nhỏ kích thước. Khi chênh lệch áp suất bên ngoài và bên dưới nắp bằng không, nó sẽ có cùng kích thước như trước khi bắt đầu thí nghiệm. Kinh nghiệm này chứng minh rằng bạn có thể tận mắt nhìn thấy áp suất nếu nó ở bên này lớn hơn ở bên kia, tức là nếu khí được lấy ra từ một bên và để lại ở bên kia.
Kết luận là: áp suất là đại lượng được xác định bởi tác động của các phân tử, nhưng tác động có thể nhiều hơn và ít hơn. Càng nhiều cú đập vào thành bình, áp suất càng lớn. Ngoài ra, tốc độ của các phân tử va vào thành bình càng lớn thì áp suất do khí này tạo ra càng lớn.
Sự phụ thuộc của áp suất vào âm lượng
Giả sử chúng ta có một khối lượng nhất định của mắt, tức là một số lượng phân tử nhất định. Trong quá trình của các thí nghiệm mà chúng ta sẽ xét, đại lượng này không thay đổi. Khí ở trong xilanh có pittong. Piston có thể được di chuyển lên và xuống. Phần trên của hình trụ bị hở, chúng ta sẽ đặt một lớp màng cao su đàn hồi lên trên. Các hạt khí va vào thành bình và màng. Khi áp suất không khí bên trong và bên ngoài bằng nhau, màng phẳng.
Nếu bạn di chuyển piston lên,số lượng phân tử sẽ không đổi, nhưng khoảng cách giữa chúng sẽ giảm. Chúng sẽ chuyển động với tốc độ như nhau, khối lượng của chúng không thay đổi. Tuy nhiên, số lần bắn trúng sẽ tăng lên vì phân tử phải đi một quãng đường ngắn hơn để đến được bức tường. Kết quả là, áp suất sẽ tăng lên và màng sẽ bị uốn cong ra bên ngoài. Do đó, khi thể tích giảm, áp suất của chất khí tăng lên, nhưng điều này được cung cấp là khối lượng của chất khí và nhiệt độ không đổi.
Nếu bạn di chuyển pít-tông xuống, khoảng cách giữa các phân tử sẽ tăng lên, đồng nghĩa với việc thời gian chúng tiếp cận thành xi lanh và màng cũng sẽ tăng lên. Lượt truy cập sẽ trở nên hiếm hơn. Khí ở ngoài có áp suất lớn hơn khí ở trong xilanh. Do đó, màng sẽ bị uốn cong vào trong. Kết luận: áp suất là đại lượng phụ thuộc vào thể tích.
Sự phụ thuộc của áp suất vào nhiệt độ
Giả sử chúng ta có một bình chứa một lượng khí ở nhiệt độ thấp và một bình chứa cùng một lượng khí ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ nào, áp suất của chất khí là do tác động của các phân tử. Số phân tử khí ở cả hai bình như nhau. Khối lượng như nhau nên khoảng cách giữa các phân tử không đổi.
Khi nhiệt độ tăng lên, các hạt bắt đầu chuyển động nhanh hơn. Do đó, số lượng và sức mạnh của các tác động của chúng lên thành bình tăng lên.
Thí nghiệm sau đây giúp xác minh tính đúng đắn của phát biểu rằng khi nhiệt độ của một chất khí tăng, áp suất của nó tăng.
Lấychai, cổ chai được đóng bằng một quả bóng bay. Đặt nó vào một thùng chứa nước nóng. Chúng ta sẽ thấy rằng quả bóng bay được bơm căng. Nếu bạn thay nước trong thùng chứa thành nước lạnh và đặt một cái chai ở đó, quả bóng bay sẽ xẹp xuống và thậm chí bị kéo vào trong.
