Одним з важливих параметрів, який по-різному характеризує три основних стани матерії (газ, тверде тіло і рідина), є тиск. У статті розглядаються головні питання фізики тиску твердих тіл, рідин і газів.
Три агрегатні стани матерії
Перед тим як перейти до питання тиску у фізиці, дамо визначення твердим, рідким і газоподібним тілам, які є основними способами існування матерії на нашій планеті.
Тверде тіло практично не проявляє плинності, і цей факт характеризує основну відмінність твердих тіл від рідин і газів. Складові твердого тіла частинки (молекули, атоми) знаходяться в певних просторових положеннях і змінюють їх дуже рідко. Саме тому будь-який вплив зовнішньої сили на тверде тіло призводить до виникнення протидіючих сил у ньому, які прагнуть зберегти форму і обсяг.
Рідини і гази - це плинні стани матерії, тобто навіть мінімальний вплив на них зовнішньої сили призведе до зміни їх форми. Як у рідинах, так і в газах частинки, з яких вони складаються, не мають певного місця в просторі і постійно перескакують з одних положень в інші. Відрізняються між собою ці плинні стани силою взаємодії між їх частинками. Так, в рідинах сила взаємодії між атомами і молекулами хоча і на порядок менше такої в твердому тілі, але все ж залишається значущою, щоб зберігати об 'єм, що займається рідиною. Це означає, що рідини є практично незжиманими. У газах же силою взаємодії між утворюючими їх частинками можна знехтувати, тому гази завжди займають наскільки завгодно великий обсяг, який знаходиться в їх розпорядженні.
Зазначимо, що існує четвертий стан речовини - плазма, яка за своїми властивостями подібна газу, але відрізняється від нього тим, що її характеристики багато в чому визначаються магнітними та електричними ефектами. Більша частина речовини у Всесвіті знаходиться саме в стані плазми.
Поняття про тиск у фізиці
Щоб зрозуміти, що таке тиск, спочатку необхідно розглянути концепцію сили. Під силою у фізиці розуміють інтенсивність впливу або взаємодії між тілами. Наприклад, при формулюванні другого закону Ньютона під силою розуміють фізичну величину будь-якої природи, яка здатна надавати тілу кінцевої маси деяке прискорення. У Міжнародній системі одиниць сила вимірюється в ньютонах (Н). Сила в 1 Н здатна змінювати швидкість тіла масою 1 кг на 1 м за кожну секунду.
Тиск - це величина, яка визначається як перпендикулярна складова сили, що відноситься до поверхні з деякою площею, тобто:
P = F/S, де
P - тиск, S - площа, F - сила.
Вимірювання тиску у фізиці здійснюють у паскалях (Па), 1 [Па] = 1 [Н ]/1 [м2].
Якщо сила F діє під деяким кутом до поверхні, тоді для розрахунку тиску необхідно визначити саме перпендикулярну складову сили до цієї поверхні. Діюча по дотичній до поверхні сила не створює ніякого тиску.
Тверді тіла і тиск
Оскільки для створення тиску необхідна сила і поверхня впливу, то в разі твердих тіл це неможливо, оскільки вони знаходяться в рівноважному стані. Дійсно, кожна частинка в твердому тілі займає певне положення, а результуюча сила, яка діє на цю частинку з боку її оточення, дорівнює нулю. Тому говорячи про фізику тиску твердих тіл, мають на увазі участь зовнішніх об 'єктів, з якими взаємодіють ці тіла.
Наприклад, якщо взяти металевий брус і покласти його на пісок більшою площиною, то він почне створювати деякий тиск на поверхню піску. Тепер якщо цей же брус покласти на пісок меншою площиною, тоді можна побачити, що він зануриться в пісок на деяку глибину. Причиною цього явища буде різний тиск, який чиниться металевим брусом на пісок в різних його положеннях. З формули для тиску P = F/S видно, що чим менше площа, тим більший тиск створює тверде тіло на поверхню опори. У випадку з брусом сила F залишалася постійною у всіх його положеннях, і була рівна вазі бруса:
m ^ g, де
m і g - маса бруса і прискорення вільного падіння, відповідно.
Тиск у рідинах
Оскільки гази і рідини є представниками плинної матерії, то фізика тиску в рідині і газі характеризується тим, що обидва стани речовини в будь-якому нескінченно малому їх обсязі чинять у всіх просторових напрямках однаковий тиск. Однак якщо розглянутий обсяг матиме деякі кінцеві розміри, то для рідин почне грати роль сила тяжкості, з якою верхні шари діють на нижні. Ця сила призводить до поняття гідростатичного тиску.
У фізиці гідростатичний тиск визначається як тиск, з яким рідина діє на занурене в неї тіло. Обчислюється цей тиск за формулою:
P = g ^ h, де
і h - щільність рідини і глибина, відповідно.
Тиск у газоподібних середовищах
Розглядаючи гази, слід сказати, що тиск у них пов 'язаний виключно з хаотичним рухом атомів і молекул.
Припустимо є газ закритий в деякій судині. Оскільки його частинки рухаються хаотично у всіх напрямках однаково, то досягнувши стінок судини, вони почнуть вдарятися про них, тобто створювати тиск. Звичайно ж, удар однієї частинки створить дуже маленький тиск, однак якщо врахувати, що цих частинок багато (порядку числа Авогадро NA = 6,02 * 1023), і що рухаються вони з великими швидкостями (порядку 1 000 м/с), то тиск на стінки судини набуває помітні на практиці значення.
На відміну від рідин, частинки газів не взаємодіють один з одним (наближення ідеального газу), тому говорити про тиск верхніх шарів газу на нижні немає ніякого сенсу.
Від чого залежить величина тиску в газі?
Знаючи природу появи тиску в газах можна припустити, що якщо збільшити число ударів частинок об стінки судини, і збільшити силу цих ударів, тоді тиск повинен зрости. У зв 'язку з цим визначають зміну тиску в газі наступні фактори.
- Концентрація частинок. Підвищити її можна шляхом зменшення обсягу, який займає газ. При постійній температурі зміна обсягу буде назад пропорційно позначатися на тиску.
- Температура. Оскільки ця величина визначає кінетичну енергію газових частинок, то її збільшення при інших постійних параметрах системи призведе до підвищення тиску.
Тиск земної атмосфери
Оскільки атмосфера нашої планети являє собою суміш газів (головним чином азоту і кисню), то фізика атмосферного тиску нічим не буде відрізнятися від фізики опису цієї величини для газів. Так, на поверхні Землі тиск повітря становить 101 325 Па або 100 кПа, що відповідає тиску 760 мм ртутного стовпа.
Зі збільшенням висоти концентрація молекул повітря починає зменшуватися, оскільки зменшується земне тяжіння, і вже на висоті гори Еверест (8 848 м), тиск повітря падає до 34 кПа, що становить 1/3 від цього тиску на рівні моря. Таке зменшення атмосферного тиску є серйозною загрозою для життя людини.
Приклад вирішення завдання
Будь-яке рішення завдання з фізики на тиск здійснюється за допомогою формул і понять, які розглянуті в статті. Наведемо приклад вирішення одного з таких завдань.
Для практичних цілей атмосферний тиск у фізиці прийнято виражати в міліметрах ртутного стовпа. Який тиск у міліметрах ртутного стовпа на вершині Евересту?
З наведеної вище інформації відомо, що на вершині найвищої гори у світі тиск повітря становить 34 кПа. Щоб визначити, якої висоти повинен бути стовп ртуті, щоб він врівноважив цей атмосферний тиск, скористаємося формулою для гідростатичного тиску:
P = ρ × g × h,
звідки
h = P/( ^ g), де
= 13 540 кг/м3 - щільність ртуті,
g = 9,81 м/с2.
Підставляючи у формулу відомі значення, отримаємо:
h = 0,256 м = 256 мм.
Вирішити це завдання можна було й іншим способом. Знаючи, що поблизу поверхні планети тиск повітря дорівнює 101 кПа, і це відповідає тиску 760 мм стовпа ртуті, отримати висоту стовпа ртуті на висоті Евересту можна через просту пропорцію:
h = 34 ^ 760/101 = 256 мм.