Физика: притисак чврстих материја, течности и гасова

Један од важних параметара који карактерише три основна стања материје на различите начине (гас, чврста и течна) је притисак. У раду се разматрају главна питања физике притиска чврстих материја, течности и гасова.

Три агрегатна стања материје

Пре него што се окренемо питању притиска у физици, дефинишемо чврста, течна и гасовита тела, који су главни начини постојања материје на нашој планети.

Чврсто тело практично не показује флуидност, а та чињеница карактерише главну разлику између чврстих материја и течности и гасова. Честице које сачињавају крутину (молекуле, атоме) налазе се у одређеним просторним позицијама и веома ретко их мењају. Зато сваки утицај спољашње силе на чврсто тело доводи до појаве супротстављених сила у њему, настојећи да сачувају облик и запремину.

Течности и гасови су флуидна стања материје, односно, чак и минимални утицај спољашње силе на њих ће довести до промене у њиховом облику. И у течностима и гасовима, честице од којих су састављене немају одређено место у простору и константно скачу из једне позиције у другу. Ова флуидна стања се разликују у јачини интеракције између њихових честица. Тако, у течностима, сила интеракције између атома и молекула, мада је реда величине мања од оне у чврстом материјалу, и даље остаје значајна да би се одржала запремина коју заузима течност. То значи да су течности практично некомпресибилне. У гасовима, међутим, сила интеракције између честица које их формирају може се занемарити, тако да плинови увијек заузимају произвољно велики волумен, који им је на располагању.

Треба приметити да постоји четврто стање материје - плазма, које је слично гасу у својим својствима, али се разликује од њега по томе што су његове карактеристике у великој мери детерминисане магнетним и електричним ефектима. Већина материје у универзуму је управо у стању плазме.

Концепт притиска у физици

Да бисте разумели шта је притисак, прво морате размотрити концепт силе. Сила у физици се схвата као интензитет утицаја или интеракције између тела. На пример, када се формулише други закон Њутна, сила се схвата као физичка величина било које природе, која је у стању да пренесе одређено убрзање на тело коначне масе. У Међународном систему јединица, снага се мјери у невтонима (Н). Сила од 1 Н може да промени брзину тела тежине 1 кг на 1 м сваке секунде.

Притисак је количина која се дефинира као окомита компонента силе која се односи на површину с одређеном површином, односно:

П = Ф / С, где

П - притисак, С - површина, Ф - сила.

Мерење притиска у физици се врши у паскалима (Па), 1 [Па] = 1 [Х] / 1 [м ² ].

Ако сила Ф делује под одређеним углом у односу на површину, онда је за израчунавање притиска неопходно одредити окомиту компоненту силе на ову површину. Сила која делује тангенцијално на површину не ствара никакав притисак.

Чврсте материје и притисак

Пошто су сила и површина удара потребни за стварање притиска, то је немогуће у случају чврстих материја, јер су оне у стању равнотеже. Свака честица у чврстом стању заузима одређену позицију, а резултирајућа сила која дјелује на ову честицу из околине је нула. Према томе, када говоримо о физици притиска чврстих материја, мислимо на учешће вањских објеката с којима та тијела дјелују.

На пример, ако узмете металну шипку и ставите је на песак са већом равни, тада ће почети да ствара неки притисак на површину песка. Сада, ако ставимо исту грађу на пијесак са мањим авионом, онда можемо да видимо да ће уронити у песак до одређене дубине. Узрок овог феномена ће бити различит притисак металне шипке на песку у различитим положајима. Из формуле за притисак П = Ф / С, може се видети да што је мања површина, већи притисак ствара чврсто тело на површини носача. У случају шипке, сила Ф је остала константна у свим својим положајима и била је једнака тежини шипке:

м × г где

м и г су маса снопа и убрзање гравитације.

Притисак флуида

Пошто су гасови и течности представници флуидне материје, физику притиска у течности и гасу карактерише чињеница да оба стања материје у било ком бесконачно малом волумену њих врше исти притисак у свим просторним правцима. Међутим, ако ће обим који се разматра имати неке коначне димензије, онда ће за течности, сила гравитације почети да игра улогу, са којом горњи слојеви дјелују на доње слојеве. Ова сила доводи до концепта хидростатског притиска.

У физици, хидростатски притисак је дефинисан као притисак којим флуид делује на тело уроњено у њега. Овај притисак се израчунава по формули:

П = ρ × г × х, где

ρ и х су густина и дубина флуида.

Притисак у гасовитим медијима

Узимајући у обзир гасове, треба рећи да је притисак у њима повезан искључиво са случајним кретањем атома и молекула.

Претпоставимо да је у неком броду затворен гас. Пошто се његове честице крећу случајно у свим правцима на исти начин, када стигну до зидова посуде, почињу да их ударају, односно стварају притисак. Наравно, утицај једне честице ће створити веома мали притисак, међутим, ако узмемо у обзир да постоји много ових честица (по реду Авогадровог броја Н _А = 6.02 * 10 ²³ ), и да се крећу великом брзином (око 1000 м / с), тада притисак у зидовима брода постаје приметан у пракси.

За разлику од течности, честице гасова не ступају у међусобну интеракцију (апроксимација идеалног гаса), тако да нема смисла говорити о притиску горњих слојева гаса на ниже.

Шта одређује притисак у гасу?

Знајући природу појаве притиска у гасовима, може се претпоставити да ако повећамо број честица које ударају у стијенке крвних судова и повећамо снагу тих удара, онда се притисак треба повећати. У том смислу, фактори који утичу на промену притиска у гасу.

• Концентрација честица Може се повећати смањењем запремине коју гас узима. При константној температури, промена запремине ће обрнуто утицати на притисак.
• Температуре Пошто ова вредност одређује кинетичку енергију честица гаса, њено повећање, уз остале константне параметре система, ће довести до повећања притиска.

Притисак Земљине атмосфере

Пошто је атмосфера наше планете мешавина гасова (углавном азота и кисеоника), физика атмосферског притиска неће се разликовати од физике описа ове количине за гасове. Према томе, притисак ваздуха на Земљиној површини је 101 325 Па или 100 кПа, што одговара притиску од 760 мм Хг.

Са повећањем надморске висине, концентрација молекула ваздуха почиње да се смањује, пошто гравитација пада, а већ на висини Моунт Евереста (8.848 м), притисак ваздуха пада на 34 кПа, што је 1/3 тог притиска на нивоу мора. Овакво смањење атмосферског притиска представља озбиљну претњу по људски живот.

Пример решавања проблема

Свако рјешење проблема физике на притисак врши се помоћу формула и концепата о којима се говори у чланку. Дајемо пример решавања једног од ових проблема.

Из практичних разлога, атмосферски притисак у физици се обично изражава у милиметрима живе. Који је притисак у милиметрима живе на врху Евереста?

Из горе наведених информација је познато да је на врху највише планине на свету, притисак ваздуха 34 кПа. Да би се одредила висина стуба живе, да би се балансирао овај атмосферски притисак, употребите формулу за хидростатски притисак:

П = ρ × г × х,

одакле

х = П / (ρ × г), где

ρ = 13 540 кг / м ³ - густина живе,

г = 9,81 м / с ² .

Замењујући познате вредности у формулу, добијамо:

х = 0,256 м = 256 мм.

Овај проблем се може ријешити на други начин. Знајући да је притисак ваздуха близу површине планете 101 кПа, а то одговара притиску од 760 мм колоне живе, могуће је добити висину стуба живе на висини Евереста једноставним пропорцијама:

х = 34 × 760/101 = 256 мм.