Молекулярная теория давления в твердых телах и газе    

    Давление на молекулярном уровнеВ твердых телах

       Давление, которое производит твердое тело на поверхность опоры, может быть объяснено в понятиях вза­имодействия между молекулами двух исследуемых тел. Когда две твердые поверхности плотно соприкасаются, колебания молекул приводят к пересе­чению электронных облаков соседних молекул в области соприкосновения и возникает сила отталкивания. Чем теснее поверхности войдут в соприкос­новение, тем больше и сила оттал­кивания. Поскольку молекулы в твер­дом теле колеблются вокруг опреде­ленного среднего положения, поэтому результирующей силой, возникающей при соударениях молекул поверхности одного тела с молекулами поверхности другого, можно пренебречь. Причиной возникновения силы, которая прижи­мает тело к опоре, является сила при­тяжения его Землей.

       Эта сила заставляет контактирующие молекулярные слои сблизиться друг с другом на рас­стояние, существенно меньшее равно­весного, в результате чего появляют­ся электромагнитные силы отталкива­ния между разными типами молекул. Таким образом, причиной возникновения силы, действующей на поверхность, является вес твердого тела, и в случае горизонтальной поверхности эта сила равна весу тела. Поэтому давление, производимое твер­дым телом, лежащим на горизонталь­ной поверхности, может быть подсчи­тано делением веса этого тела на пло­щадь   поверхности   соприкосновения.

     

    В газах

       Давление производимое газами  Давление, производимое весом твердого тела, находящимся на гори­зонтальной поверхности, резко отли­чается от давления газов на стенки сосуда. Здесь собственный вес молекул играет очень малую роль; причиной давления являются многочисленные соударения движущихся молекул со стенками сосуда. Когда молекула газа подходит очень близко к стенке со­суда, молекулы стенки сосуда отталки­вают приближающуюся молекулу, из­меняя ее импульс. Из тре­тьего закона Ньютона сле­дует, что приближающиеся молекулы должны производить равное и проти­воположно направленное воздействие на стенку сосуда. Поскольку имеет место изменение импульса тела, то возникающая сила определяется сте­пенью этого изменения. Мы   имеем   дело  с большим   числом  молекул, передвигающихся с относи­тельно высокой скоростью, и поэтому возникающая сила также будет вели­ка. Таким образом, соударение моле­кул со стенками сосуда производит достаточно большое давление.

       Давление атмосферы Земли (ат­мосферное давление) рассмагривается как вес столба воздуха высотой в несколько сотен километров, дейст­вующий на единицу площади. Пред­ставьте металлическую банку, откры­тую для атмосферы, как показано на рисунке.

    Атмосферное давление в открытой и закрытой банках

    Атмосферное давление будет одинаковым внутри и вне этой банки. Если банку закрыть пробкой так, чтобы воздух внутри ее был изо­лирован от атмосферы, то давление газа по-прежнему оста­нется равным атмосферному давле­нию, но ясно, что оно больше не явля­ется следствием давления столба воз­духа над ней. Давление изолирован­ного газа является следствием соуда­рения молекул со стенками банки. Оценим, какое было бы давление газа в банке, если бы его происхождение обусловливал вес молекул воздуха, на­ходящихся в банке. Вес воздуха сос­тавляет примерно 0,02 H, площадь внутренней поверхности стенок банки равна, например, 0,5 м2. Эти пара­метры определяют Давление р = 0,02 Н/0,5 м2 = 0,04 Па, которое гораздо   ниже   атмосферного  давления (около 100 000 Па).


    Исследование.

    Продемонстрировать силу атмосферного давления.

    Большая сила атмосферного давления может быть показана при нагревании до кипения некоторого количества воды в открытой жестяной банке и последующем быстром охлаждении. При кипении водяной пар замещает в сосуде воздух, и молекулы пара оказывают на стенки сосуда давление, равное атмосферному. Банка перемещается с горелки, плотно закрывается пробкой и затем быстро охлаждается струей холодной воды. Сосуд неожиданно сминается, как показано на рисунке.

       Результат исследования можно объяснить так. Пар внутри со­суда быстро сконденсировался в очень малое количество воды, оставив после себя частичный вакуум, и число мо­лекул пара на единицу объема значи­тельно уменьшилось. Эксперимент по сминанию банкиПоскольку тем­пература в сосуде была понижена, то уменьшилась и скорость молекул. Оба явления значительно уменьшают дав­ление в сосуде. Находящиеся внутри сосуда молекулы воздуха и молекулы водяного пара не могут произвести давление, равное атмосферному. Большая разность в давлении по обе сто­роны стенок сосуда создает очень большую неуравновешенную силу давления, действующую внутрь банки. Поэтому большее внешнее давление сминает сосуд.

       Существуют некоторые полезные применения разности давления с раз­ных сторон поверхности сосуда, например резиновая присоска, трубоч­ка для питья и пипетка.

    Применение атмосферного давления

    Когда увлаж­ненные края присоски  прижимаются к плоской поверхности стены, воздух из нее вытесняется. При распрямлении присоски значительно уменьшается давление воздуха в отго­роженном пространстве. Внешнее атмосферное давление, действуя на присоску, прижимает её к плоской по­верхности. На рисунке показан мальчик, высасывающий жидкость из стакана через тонкую трубочку. Дав­ление р2 воздуха в трубочке меньше атмосферного давления р0 действую­щего на поверхность жидкости. Поэто­му жидкость загоняется вверх по тру­бочке и в рот мальчику. Давление р1 на нижнем конце трубочки больше атмосферного давления р0.

Copyright © 2011-2014  globalphysics.ru
All Rights Reserved