Paine on fysikaalinen suure, joka lasketaan seuraavasti: jaa painevoima alueella, johon tämä voima vaikuttaa. Painon voima määräytyy painon mukaan. Mikä tahansa fyysinen esine kohdistaa painetta, koska sillä on ainakin jonkin verran painoa. Artikkelissa käsitellään yksityiskohtaisesti kaasujen painetta. Esimerkit osoittavat, mistä se riippuu ja miten se muuttuu.
Kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten aineiden painemekanismien erot
Mitä eroa on nesteiden, kiinteiden aineiden ja kaasujen välillä? Kahdella ensimmäisellä on volyymi. Kiinteät kappaleet säilyttävät muotonsa. Astiaan sijoitettu kaasu vie koko sen tilan. Tämä johtuu siitä, että kaasumolekyylit eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Siksi kaasun paineen mekanismi eroaa merkittävästi nesteiden ja kiinteiden aineiden painemekanismista.
Lastetaan paino pöydälle. Painovoiman vaikutuksesta paino jatkaisi liikkumista alaspäin pöydän läpi, mutta näin ei tapahdu. Miksi? Koska taulukon molekyylit lähestyvät molekyylejäjossa paino tehdään, niiden välinen etäisyys pienenee niin paljon, että painon hiukkasten ja pöydän väliin syntyy hylkiviä voimia. Kaasuissa tilanne on täysin toinen.
Ilmakehän paine
Ennen kuin tarkastelemme kaasumaisten aineiden painetta, esitellään käsite, jota ilman lisäselvitykset ovat mahdottomia - ilmakehän paine. Tämä on vaikutus, joka ympäröivällä ilmalla (ilmakehällä) on. Ilma näyttää meistä vain painottom alta, itse asiassa sillä on painoa, ja tämän todistamiseksi tehdään koe.
Punnittelemme ilman lasiastiaan. Se tulee sinne kaulassa olevan kumiputken kautta. Poista ilma tyhjiöpumpulla. Punnitsemme pullo ilman ilmaa, avaa hana ja kun ilma tulee sisään, sen paino lisätään pullon painoon.
Paine astiassa
Otetaan selvää, miten kaasut vaikuttavat suonten seinämiin. Kaasumolekyylit eivät käytännössä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, mutta ne eivät hajoa toisistaan. Tämä tarkoittaa, että ne saavuttavat edelleen aluksen seinät ja palaavat sitten takaisin. Kun molekyyli osuu seinään, sen isku vaikuttaa suoniin jollain voimalla. Tämä voima on lyhytikäinen.
Toinen esimerkki. Heitetään pallo pahvilevyyn, pallo pomppii ja pahvi poikkeaa hieman. Korvataan pallo hiekalla. Vaikutukset ovat pieniä, emme edes kuule niitä, mutta niiden voima kasvaa. Arkki hylätään jatkuvasti.
Otetaan nyt pienimmät hiukkaset, esimerkiksi ilmahiukkaset, joita meillä on keuhkoissamme. Puhallamme pahville, ja se poikkeaa. Me pakotammeilmamolekyylit osuvat pahviin, minkä seurauksena siihen vaikuttaa voima. Mikä tämä voima on? Tämä on paineen voima.
Päätellään: kaasun paine johtuu kaasumolekyylien vaikutuksista astian seiniin. Seiniin vaikuttavat mikroskooppiset voimat summautuvat, ja saamme niin sanotun painevoiman. Voiman jakamisen pinta-alalla tulos on paine.
Hertyy kysymys: miksi jos otat pahvilevyn käteesi, se ei poikkea? Loppujen lopuksi se on kaasussa, eli ilmassa. Koska ilmamolekyylien vaikutukset arkin toisella ja toisella puolella tasapainottavat toisiaan. Kuinka tarkistaa, osuvatko ilmamolekyylit todella seinään? Tämä voidaan tehdä poistamalla molekyylien iskuja toiselta puolelta, esimerkiksi pumppaamalla ilmaa ulos.
Kokeilu
On olemassa erityinen laite - tyhjiöpumppu. Tämä on lasipurkki tyhjiölevyllä. Siinä on kumitiiviste, jotta kannen ja levyn väliin ei jää rakoa, jotta ne sopivat tiiviisti toisiinsa. Tyhjiöyksikköön on kiinnitetty painemittari, joka mittaa ilmanpaineen eroa konepellin ulkopuolella ja alla. Hanan avulla pumppuun johtava letku voidaan liittää konepellin alla olevaan tilaan.
Aseta hieman täytetty ilmapallo korkin alle. Johtuen siitä, että se on hieman ilmalla, kompensoituvat pallon sisällä ja sen ulkopuolella olevien molekyylien vaikutukset. Peitämme pallon korkilla, käynnistä tyhjiöpumppu, avaa hana. Painemittarista näemme, että sisä- ja ulkoilman ero kasvaa. Entä ilmapallo? Se kasvaa kooltaan. Paine, eli molekyylien vaikutuksetpallon ulkopuolella, pienenee. Pallon sisällä olevat ilmahiukkaset jäävät, ulko- ja sisäpuolelta tulevien iskujen kompensointia rikotaan. Pallon tilavuus kasvaa johtuen siitä, että kumin elastinen voima ottaa osittain h altuunsa ulkopuolelta tulevien ilmamolekyylien painevoiman.
Sulje nyt hana, sammuta pumppu, avaa hana uudelleen, irrota letku päästääksesi ilmaa korkin alle. Pallon koko alkaa pienentyä. Kun paine-ero korkin ulkopuolella ja alla on nolla, se on samankokoinen kuin ennen kokeen alkua. Tämä kokemus todistaa, että paineen näkee omin silmin, jos se on toisella puolella suurempi kuin toisella, eli jos kaasu poistetaan toiselta puolelta ja jätetään toiselle.
Johtopäätös on tämä: paine on määrä, joka määräytyy molekyylien vaikutuksista, mutta vaikutuksia voi olla enemmän ja vähemmän. Mitä enemmän osumia suonen seiniin, sitä suurempi paine. Lisäksi mitä suurempi nopeus molekyylit osuvat astian seiniin, sitä suurempi on tämän kaasun tuottama paine.
Paineen riippuvuus äänenvoimakkuudesta
Oletetaan, että meillä on tietty silmämassa, eli tietty määrä molekyylejä. Harkittavien kokeiden aikana tämä määrä ei muutu. Kaasu on sylinterissä, jossa on mäntä. Mäntää voidaan liikuttaa ylös ja alas. Sylinterin yläosa on avoin, laitamme siihen elastisen kumikalvon. Kaasupartikkelit osuivat astian seinämiin ja kalvoon. Kun ilmanpaine sisällä ja ulkopuolella on sama, kalvo on tasainen.
Jos siirrät mäntää ylös,molekyylien määrä pysyy samana, mutta niiden välinen etäisyys pienenee. Ne liikkuvat samoilla nopeuksilla, niiden massa ei muutu. Osumien määrä kuitenkin kasvaa, koska molekyylin on kuljettava lyhyempi matka päästäkseen seinään. Tämän seurauksena paineen pitäisi kasvaa ja kalvon tulee taipua ulospäin. Siksi tilavuuden pienentyessä kaasun paine kasvaa, mutta tämä edellyttää, että kaasun massa ja lämpötila pysyvät muuttumattomina.
Jos liikutat mäntää alaspäin, molekyylien välinen etäisyys kasvaa, mikä tarkoittaa, että myös aika, joka kuluu niiden saavuttamiseen sylinterin ja kalvon seinämiin, kasvaa. Osumat harvenevat. Ulkopuolella olevan kaasun paine on korkeampi kuin sylinterin sisällä. Siksi kalvo taipuu sisäänpäin. Johtopäätös: paine on määrä, joka riippuu tilavuudesta.
Paineen riippuvuus lämpötilasta
Oletetaan, että meillä on astia, jossa on kaasua alhaisessa lämpötilassa, ja astia, jossa on sama määrä kaasua korkeassa lämpötilassa. Missä tahansa lämpötilassa kaasun paine johtuu molekyylien vaikutuksista. Kaasumolekyylien määrä molemmissa astioissa on sama. Tilavuus on sama, joten molekyylien välinen etäisyys pysyy samana.
Lämpötilan noustessa hiukkaset alkavat liikkua nopeammin. Tämän seurauksena niiden vaikutusten määrä ja voimakkuus aluksen seiniin kasvaa.
Seuraava koe auttaa varmistamaan sen väitteen oikeellisuuden, että kaasun lämpötilan noustessa sen paine kasvaa.
Otapullo, jonka kaula on suljettu ilmapallolla. Aseta se kuumaa vettä sisältävään astiaan. Näemme, että ilmapallo on täynnä. Jos vaihdat säiliössä olevan veden kylmäksi ja asetat pullon siihen, ilmapallo tyhjenee ja jopa vedetään sisään.
