Давление газа
Мы знаем, что газы в отличие от твердых тел и жидкостей заполняют весь сосуд, в котором они находятся (например, стальной баллон для хранения газов, камеру автомобильной шины и т. д.). При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона или камеры, в которых он находится. Чем обусловлено это давление?
Молекулы газа беспорядочно движутся. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ (рис. 87). Газ состоит из огромного количества молекул, поэтому и число их ударов очень велико. Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, на каждый квадратный сантиметр за 1 с молекулами воздуха наносится столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул о стенки сосуда приводит к значительному давлению.
Рассмотрим следующий опыт. Под колокол воздушного насоса помещают завязанный резиновый шарик. Он содержит небольшое количество воздуха и имеет неправильную форму (рис. 88, а). Затем насосом откачивают воздух из-под колокола. Оболочка шарика, вокруг которой воздух становится все более разреженным, постепенно раздувается и принимает сферическую форму (рис. 88, б).
Мы знаем, что молекулы воздуха движутся и потому непрерывно ударяют о стенки шарика внутри и снаружи. При откачивании воздуха число молекул под колоколом вокруг оболочки шарика уменьшается. Но внутри завязанного шарика их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул о внешнюю поверхность оболочки становится меньше числа ударов о внутреннюю поверхность. Из-за этого шарик раздувается и принимает такие размеры, при которых сила упругости его резиновой оболочки становится равной силе давления газа, находящегося внутри его.
Сферическая форма, которую принимает раздутая оболочка шарика показывает, что газ оказывает по всем направлениям одинаковое давление.
Выясним, как зависит давление газа от его объема. Температуру газа будем считать постоянной.
Если объем газа уменьшить, но так, чтобы масса его осталась неизменной, то в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше. Это означает, что плотность газа увеличится. Тогда число ударов молекул о стенки сосуда возрастет и давление газа станет больше. Это можно подтвердить опытом.
На рисунке 89, а изображен стеклянный цилиндр, один конец которого закрыт тонкой резиновой пленкой. В цилиндр вставлен поршень. При вдвигании поршня объем воздуха в цилиндре уменьшается. При этом резиновая пленка выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в цилиндре увеличилось (рис. 89, б).
Наоборот, при увеличении объема этой же массы газа число молекул в каждом кубическом сантиметре, а значит, и число их ударов о стенки сосуда станет меньше. При этом давление газа тоже уменьшится.
На опыте это проявляется следующим образом. При вытягивании поршня из цилиндра резиновая пленка прогибается внутрь сосуда, указывая, что давление воздуха внутри цилиндра стало меньше, чем снаружи (рис. 89, в).
Итак, если масса и температура газа остаются неизменными, то при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается.
Изменение давления газа при изменении его объема учитывают, например, в таком устройстве, как резиновая груша (рис. 90). Этот прибор состоит из двух резиновых шаров с клапанами и резиновой трубки, которую обычно присоединяют к пульверизатору (устройству, предназначенному для распыления жидкостей). Когда шар 1 сдавливают рукой, один (впускной) клапан закрывается, и воздух из шара 1 накачивается в шар 2. При освобождении шара 1 от надавливания он благодаря упругости своих стенок принимает первоначальную форму. При этом давление внутри его уменьшается, и очередная порция наружного воздуха, открывая впускной клапан, вновь входит внутрь шара 1. Воздух в шаре 2 в это время закрывает другой клапан и по трубке направляется в пульверизатор.
1. Из-за чего возникает давление газа? 2. С помощью какого опыта можно показать, что газ производит давление на стенки сосуда, в котором он находится? 3. Как изменяется давление газа при его сжатии? Почему? 4. Опишите принцип действия резиновой груши.
Экспериментальное задание. Надуйте воздушный шарик. О каких свойствах газа и оболочки шарика свидетельствует его форма? Почему, направляя струю воздуха в определенном направлении, мы заставляем шарик раздуваться сразу по всем направлениям? Почему не все воздушные шарики принимают сферическую форму?