Tlak je fizična količina, ki se izračuna na naslednji način: tlačno silo delimo s površino, na katero ta sila deluje. Silo pritiska določa teža. Vsak fizični predmet izvaja pritisk, ker ima vsaj nekaj teže. Članek bo podrobno obravnaval tlak v plinih. Primeri bodo ponazorili, od česa je odvisno in kako se spreminja.
Razlika v tlačnih mehanizmih trdnih, tekočih in plinastih snovi
Kakšna je razlika med tekočinami, trdnimi snovmi in plini? Prva dva imata volumen. Trdna telesa ohranjajo svojo obliko. Plin v posodi zasede ves njen prostor. To je posledica dejstva, da molekule plina med seboj praktično ne delujejo. Zato se mehanizem tlaka plina bistveno razlikuje od mehanizma tlaka tekočin in trdnih snovi.
Odložimo težo na mizo. Pod vplivom gravitacije bi se teža še naprej premikala navzdol po mizi, vendar se to ne zgodi. zakaj? Ker se molekule tabele približujejo molekulam izki jih naredi utež, se razdalja med njima toliko zmanjša, da med delci uteži in mizo nastanejo odbojne sile. Pri plinih je situacija popolnoma drugačna.
Atmosferski tlak
Preden razmislimo o tlaku plinastih snovi, uvedemo pojem, brez katerega so nadaljnje razlage nemogoče - atmosferski tlak. To je učinek, ki ga ima zrak (ozračje) okoli nas. Zrak se nam zdi le breztežen, v resnici pa ima težo, in da to dokažemo, naredimo poskus.
Zrak bomo stehtali v stekleni posodi. Tja vstopi skozi gumijasto cev v vratu. Odstranite zrak z vakuumsko črpalko. Stehtamo bučko brez zraka, nato odpremo pipo in ko vstopi zrak, se njena teža prišteje k teži bučke.
tlak v posodi
Ugotovimo, kako plini delujejo na stene posod. Molekule plina med seboj praktično ne delujejo, vendar se med seboj ne razpršijo. To pomeni, da še vedno dosežejo stene posode in se nato vrnejo. Ko molekula zadene steno, njen udar deluje na posodo z določeno silo. Ta moč je kratkotrajna.
Še en primer. Vrzimo žogico na list kartona, žogica se bo odbila, karton pa bo nekoliko odstopal. Zamenjajmo žogo s peskom. Vplivi bodo majhni, ne bomo jih niti slišali, vendar se bo njihova moč kopičila. List bo nenehno zavrnjen.
Sedaj vzemimo najmanjše delce, na primer delce zraka, ki jih imamo v pljučih. Pihamo na karton in bo odstopal. Prisilimomolekule zraka zadenejo karton, posledično nanj deluje sila. Kakšna je ta moč? To je sila pritiska.
Sklenimo: tlak plina nastane zaradi udarcev plinskih molekul na stene posode. Mikroskopske sile, ki delujejo na stene, se seštejejo in dobimo tisto, kar imenujemo tlačna sila. Rezultat delitve sile s površino je pritisk.
Postavlja se vprašanje: zakaj, če vzamete v roko list kartona, ta ne odstopa? Konec koncev je v plinu, torej v zraku. Ker udarci molekul zraka na eno in drugo stran pločevine uravnotežijo drug drugega. Kako preveriti, ali molekule zraka res zadenejo steno? To lahko storite tako, da odstranite udarce molekul na eni strani, na primer s črpanjem zraka.
Poskusi
Obstaja posebna naprava - vakuumska črpalka. To je steklen kozarec na vakuumski plošči. Ima gumijasto tesnilo, tako da med pokrovčkom in ploščo ni reže, tako da se tesno prilegata drug drugemu. Na vakuumsko enoto je pritrjen manometer, ki meri razliko v zračnem tlaku zunaj in pod pokrovom. Pipa omogoča, da se cev, ki vodi do črpalke, poveže s prostorom pod pokrovom.
Pod pokrovček postavite rahlo napihnjen balon. Zaradi dejstva, da je rahlo napihnjena, so udarci molekul znotraj krogle in zunaj nje kompenzirani. Kroglico pokrijemo s pokrovčkom, vklopimo vakuumsko črpalko, odpremo pipo. Na merilniku tlaka bomo videli, da razlika med zrakom znotraj in zunaj narašča. Kaj pa balon? Poveča se v velikosti. Tlak, torej udarci molekulzunaj žoge, vse manjša. Delci zraka v žogi ostanejo, kompenzacija udarcev od zunaj in od znotraj je kršena. Prostornina žoge raste zaradi dejstva, da silo pritiska molekul zraka od zunaj delno prevzame elastična sila gume.
Zdaj zaprite pipo, izklopite črpalko, ponovno odprite pipo, odklopite cev, da spustite zrak pod pokrovčkom. Kroglica se bo začela zmanjševati. Ko je razlika tlaka zunaj in pod pokrovom enaka nič, bo enaka velikost, kot je bila pred začetkom poskusa. Ta izkušnja dokazuje, da lahko na lastne oči vidiš pritisk, če je na eni strani večji kot na drugi, torej če plin odstranimo z ene strani in pustimo na drugi strani.
Ugotovitev je naslednja: tlak je količina, ki jo določajo udarci molekul, vendar so udarci lahko številčnejši in manj številni. Več udarcev na stene posode, večji je pritisk. Poleg tega večja kot je hitrost molekul, ki zadenejo stene posode, večji je tlak, ki ga ustvari ta plin.
Odvisnost tlaka od prostornine
Recimo, da imamo določeno maso očesa, torej določeno število molekul. Med poskusi, ki jih bomo obravnavali, se ta količina ne spremeni. Plin je v jeklenki z batom. Bat se lahko premika gor in dol. Zgornji del cilindra je odprt, nanj bomo namestili elastično gumijasto folijo. Delci plina zadenejo stene posode in film. Ko je zračni tlak znotraj in zunaj enak, je film ravna.
Če premaknete bat navzgor,število molekul bo ostalo enako, vendar se bo razdalja med njimi zmanjšala. Gibali se bodo z enako hitrostjo, njihova masa se ne bo spremenila. Vendar se bo število zadetkov povečalo, ker mora molekula prepotovati krajšo razdaljo, da doseže steno. Posledično se mora tlak povečati, film pa naj se upogne navzven. Zato se z zmanjšanjem prostornine tlak plina poveča, vendar je to pod pogojem, da masa plina in temperatura ostaneta nespremenjeni.
Če bat premaknete navzdol, se bo razdalja med molekulami povečala, kar pomeni, da se bo povečal tudi čas, ki jim bo potreben, da dosežejo stene cilindra in film. Zadetki bodo redkejši. Zunanji plin ima višji tlak kot tisti v jeklenki. Zato se bo film upognil navznoter. Zaključek: tlak je količina, ki je odvisna od prostornine.
Odvisnost tlaka od temperature
Predpostavimo, da imamo posodo s plinom pri nizki temperaturi in posodo z enakim plinom v enaki količini pri visoki temperaturi. Pri kateri koli temperaturi je tlak plina posledica udarcev molekul. Število molekul plina v obeh posodah je enako. Volumen je enak, zato razdalja med molekulami ostaja enaka.
Ko se temperatura dvigne, se delci začnejo premikati hitreje. Posledično se poveča število in moč njihovih udarcev na stene plovila.
Naslednji poskus pomaga preveriti pravilnost trditve, da se z naraščanjem temperature plina povečuje njegov tlak.
Vzemisteklenica, katere vrat je zaprt z balonom. Postavite ga v posodo z vročo vodo. Videli bomo, da je balon napihnjen. Če vodo v posodi spremenite v hladno in vanjo postavite steklenico, se bo balon izpraznil in celo potegnil.
