Фізика: тиск твердих тіл, рідин і газів

Одним з важливих параметрів, який по-різному характеризує три основні стани матерії (газ, тверде тіло, рідина), є тиск. У статті розглядаються головні питання фізики тиск твердих тіл, рідин і газів.

Три агрегатних стани матерії

Перед тим як перейти до питання тиску у фізиці, дамо визначення твердим, рідким і газоподібним тіл, які є основними способами існування матерії на нашій планеті.

Тверде тіло практично не проявляє плинності, і цей факт характеризує основна відмінність твердих тіл від рідин і газів. Складові тверде тіло частинки (молекули, атоми) перебувають у певних просторових положеннях і змінюють їх дуже рідко. Саме тому всяке вплив зовнішньої сили на тверде тіло призводить до виникнення протидіючих сил у ньому, прагнуть зберегти форму і об’єм.

Рідини і гази – це текучі стану 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 до інших. Відрізняються між собою ці текучі стану силою взаємодії між їх частками. Так, у рідинах сила взаємодії між атомами і молекулами хоча і на порядок менше такої у твердому тілі, але все ж залишається значущою, щоб зберігати займаний рідиною обсяг. Це означає, що рідини є практично несжимаемыми. У газах ж силою взаємодії між утворюючими їх частинками можна знехтувати, тому гази завжди займають скільки 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 і 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 дії 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 в паскалях (Па), 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м2].

Якщо сила F, що діє під деяким кутом до поверхні, тоді для розрахунку тиску необхідно визначити саме перпендикулярну складову сили до цієї поверхні. Що діє по дотичній до поверхні сила не створює ніякого тиску.

Тверді тіла і тиск

Оскільки для створення тиску необхідна сила і поверхня впливу, то у випадку твердих тіл це неможливо, оскільки вони знаходяться в рівноважному стані. Дійсно, кожна частинка в твердому тілі займає певне положення, а результуюча сила, що 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 у 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 в усіх його положеннях, і дорівнювала вазі бруса:

m × g, де

m і g – маса бруса і прискорення вільного падіння, відповідно.

Тиск в рідинах

Оскільки гази і рідини є представниками текучої матерії, то фізика тиску в рідині і газі характеризується тим, що обидва стани речовини в будь-якому нескінченно малому обсязі надають у всіх просторових напрямках однаковий тиск. Однак якщо розглянутий обсяг буде мати деякі кінцеві розміри, то для рідин почне грати роль сила тяжіння, з якою верхні шари діють на нижні. Ця сила приводить до поняття гідростатичного тиску.

У фізиці гідростатичний тиск визначається як тиск, з якою рідина діє на занурене в неї тіло. Обчислюється цей тиск за формулою:

P = ρ × g × h, де

ρ і h – щільність рідини і глибина, відповідно.

Тиск у газових середовищах

Розглядаючи гази, слід сказати, що тиск у них пов’язано виключно з хаотичним рухом атомів і молекул.

Припустимо є газ закритий в деякому посуді. Оскільки його частинки рухаються хаотично у всіх напрямках однаково, то досягши стінок посудини, вони почнуть тікати про них, тобто створювати тиск. Звичайно ж, удар однієї частинки створить дуже маленьке тиск, однак якщо врахувати, що цих частинок багато (близько числа Авогадро NA= 6,02*1023), і що вони рухаються з великими швидкостями (близько 1 000 м/с), то тиск на стінки посудини здобуває помітні на практиці значення.

На відміну від рідин, частки 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 посудини, і збільшити силу цих ударів, тоді тиск має зрости. У зв’язку з цим визначають зміну тиску в газі наступні фактори.

  • Концентрація частинок. Підвищити її можна шляхом зменшення об’єму, який займає газ. При постійній температурі зміна обсягу буде обернено пропорційно позначається 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 складає 101 325 Па або 100 кПа, що відповідає тиску 760 мм ртутного стовпа.

Із 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 розв’язання задачі

Будь-яке рішення задачі з фізики на тиск здійснюється з допомогою формул і понять, які розглянуті в статті. Наведемо приклад розв’язання однієї з таких задач.

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 в світі тиск повітря складає 34 кПа. Щоб визначити, якої висоти має бути стовп ртуті, щоб він урівноважив це атмосферний тиск, скористаємося формулою для гідростатичного тиску:

P = ρ × g × h,

звідки

h = P / (ρ × g), де

ρ = 13 540 кг/м3 – щільність ртуті,

g = 9,81 м/с2.

Підставляючи в формулу відомі значення, отримаємо:

h = 0,256 м = 256 мм.

Вирішити цю задачу 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.