При умень­ше­нии объ­е­ма газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Тема: Дав­ле­ние газов

1. Особенности молекулярного строения газов

Пре­жде чем непо­сред­ствен­но пе­рей­ти к изу­че­нию дав­ле­ния газа, вспом­ним, какие осо­бен­но­сти имеет рас­по­ло­же­ние и дви­же­ние мо­ле­кул, из ко­то­рых газ со­сто­ит.

Во-пер­вых, мо­ле­ку­лы газа дви­жут­ся бес­по­ря­доч­но, ха­о­тич­но.

Во-вто­рых, рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми до­ста­точ­но боль­шие по срав­не­нию с раз­ме­ра­ми мо­ле­кул.

В-тре­тьих, вслед­ствие боль­шо­го рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми, силы при­тя­же­ния между ними пре­не­бре­жи­мо малы, а силы от­тал­ки­ва­ния ста­но­вят­ся за­мет­ны­ми толь­ко при столк­но­ве­ни­ях мо­ле­кул. Столк­но­ве­ния могут про­ис­хо­дить как между са­ми­ми мо­ле­ку­ла­ми, так и между мо­ле­ку­ла­ми и стен­ка­ми со­су­да (Рис. 1).

Рис. 1. Дви­же­ние мо­ле­кул газа в со­су­де

Если взять воз­душ­ный шарик и немно­го его на­дуть, то он при­об­ре­тет округ­лую форму, рав­но­мер­но на­ду­ва­ясь со всех сто­рон (Рис. 2).

Рис. 2. На­ду­тый шарик имеет округ­лую форму

Такая форма ша­ри­ка объ­яс­ня­ет­ся тем, что мо­ле­ку­лы газа ока­зы­ва­ют дав­ле­ние не так, как мо­ле­ку­лы твер­дых тел. Ведь мо­ле­ку­лы газа дви­жут­ся ха­о­тич­но. По­это­му мо­ле­ку­лы воз­ду­ха, ко­то­рым на­пол­нен шарик, уда­ря­ют­ся о внут­рен­ние стен­ки обо­лоч­ки ша­ри­ка оди­на­ко­во во всех на­прав­ле­ни­ях. А зна­чит, и дав­ле­ние воз­ду­ха не со­сре­до­та­чи­ва­ет­ся на ка­ких-то опре­де­лен­ных участ­ках обо­лоч­ки, а рав­но­мер­но рас­пре­де­ля­ет­ся по всей ее по­верх­но­сти.

Итак, дав­ле­ние газа объ­яс­ня­ет­ся уда­ра­ми его мо­ле­кул о стен­ки со­су­да, в ко­то­ром на­хо­дит­ся газ.

2. Зависимость давления газа от объема

Убе­дим­ся в том, что мо­ле­ку­лы газа дей­стви­тель­но рас­по­ло­же­ны до­ста­точ­но да­ле­ко друг от друга, и по­это­му газы хо­ро­шо сжи­ма­е­мы.

Возь­мем шприц и рас­по­ло­жим его пор­шень при­бли­зи­тель­но по­се­ре­дине ци­лин­дра. От­вер­стие шпри­ца со­еди­ним с труб­кой, вто­рой конец ко­то­рой на­глу­хо за­крыт. Таким об­ра­зом, неко­то­рая пор­ция воз­ду­ха будет за­клю­че­на в ци­лин­дре шпри­ца под порш­нем и в труб­ке (Рис. 3).

Рис. 3. В ци­лин­дре под порш­нем за­клю­че­но неко­то­рое ко­ли­че­ство воз­ду­ха

Те­перь по­ста­вим на по­движ­ный пор­шень шпри­ца груз. Легко за­ме­тить, что пор­шень немно­го опу­стит­ся. Это озна­ча­ет, что объем воз­ду­ха умень­шил­ся (Рис. 4). Дру­ги­ми сло­ва­ми, газы (в нашем слу­чае воз­дух) легко сжи­ма­ют­ся. Таким об­ра­зом, между мо­ле­ку­ла­ми газа име­ют­ся до­ста­точ­но боль­шие про­ме­жут­ки.

Рис. 4. По­ме­ще­ние груза на пор­шень вы­зы­ва­ет умень­ше­ние объ­е­ма газа

С дру­гой сто­ро­ны, после уста­нов­ки груза пор­шень, немно­го опу­стив­шись, оста­нав­ли­ва­ет­ся в новом по­ло­же­нии рав­но­ве­сия. Это озна­ча­ет, что сила дав­ле­ния воз­ду­ха на пор­шень (на­прав­лен­ная вверх) уве­ли­чи­ва­ет­ся и снова урав­но­ве­ши­ва­ет воз­рос­ший вес порш­ня с гру­зом (на­прав­лен­ный вниз). А по­сколь­ку пло­щадь порш­ня при этом оста­ет­ся неиз­мен­ной, мы при­хо­дим к важ­но­му за­клю­че­нию.

При умень­ше­нии объ­е­ма газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Будем пом­нить при этом, что масса газа и его тем­пе­ра­ту­ра в ходе опыта оста­ва­лись неиз­мен­ны­ми.

Объ­яс­нить за­ви­си­мость дав­ле­ния от объ­е­ма можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом. При уве­ли­че­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми уве­ли­чи­ва­ет­ся. Каж­дой мо­ле­ку­ле те­перь нужно прой­ти боль­шее рас­сто­я­ние от од­но­го удара со стен­кой со­су­да до дру­го­го. Сред­няя ско­рость дви­же­ния мо­ле­кул оста­ет­ся неиз­мен­ной (если тем­пе­ра­ту­ра газа не ме­ня­ет­ся). Сле­до­ва­тель­но, мо­ле­ку­лы газа реже уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, а это при­во­дит к умень­ше­нию дав­ле­ния газа. И, на­о­бо­рот, при умень­ше­нии объ­е­ма газа его мо­ле­ку­лы чаще уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, и дав­ле­ние газа уве­ли­чи­ва­ет­ся (Рис. 5).

Рис. 5. При умень­ше­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми умень­ша­ет­ся

3. Зависимость давления газа от температуры

В преды­ду­щих опы­тах тем­пе­ра­ту­ра газа оста­ва­лась неиз­мен­ной, и мы изу­ча­ли из­ме­не­ние дав­ле­ния вслед­ствие из­ме­не­ния объ­е­ма газа. Те­перь рас­смот­рим слу­чай, когда объем газа оста­ет­ся по­сто­ян­ным, а тем­пе­ра­ту­ра газа из­ме­ня­ет­ся. Масса при этом также оста­ет­ся неиз­мен­ной. Со­здать такие усло­вия можно, по­ме­стив неко­то­рое ко­ли­че­ство газа в ци­линдр с порш­нем и за­кре­пив пор­шень (Рис. 6).

Рис. 6. Из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры дан­ной массы газа при неиз­мен­ном объ­е­ме

Чем выше тем­пе­ра­ту­ра, тем быст­рее дви­жут­ся мо­ле­ку­лы газа.

Сле­до­ва­тель­но,

- во-пер­вых, чаще про­ис­хо­дят удары мо­ле­кул о стен­ки со­су­да;

- во-вто­рых, сред­няя сила удара каж­дой мо­ле­ку­лы о стен­ку ста­но­вит­ся боль­ше.

Это при­во­дит нас к еще од­но­му важ­но­му за­клю­че­нию.