Давление газа

Мы уже знаем, что газы в отличие от твердых тел и жидкостей заполняют весь объем сосуда, в котором они находятся, например стальной баллон для хранения газов, камеру автомобильной шины или волейбольного мяча. При этом газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любого другого тела, с которым он сопри­касается.

Рассмотрим следующий опыт. Под колокол воздушного насоса помещают завязанный резиновый шарик. Он содержит небольшое количество воздуха (рис. 82, а) и имеет неправильную форму. Затем насосом откачивают воздух из-под колокола. Оболочка Шарика, вокруг которой воздух становится все более разреженным, постепенно разду­вается и принимает форму шара (рис. 82, 6).

Как объяснить этот опыт? Известно, что молекулы газа беспоря­дочно движутся с большими скоростями. При своем движении они сталкиваются с другими молекулами, а также со стенками сосуда, в котором находится Газ (рис. 83). Молекул в газе много, поэтому и число их ударов очень велико. Подсчитано, что в обычном, не сжатом газе число ударов молекул, приходящихся на 1 см² стенки сосуда в 1 с, выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя удар отдельной молекулы и слаб, но действие такого числа ударов всех молекул о стенки сосуда значительно, оно и представляет собой давление газа.

Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.

В нашем опыте движущиеся молекулы газа непрерывно бомбар­дируют стенки шарика внутри и снаружи, При откачивании воздуха число молекул в колоколе вокруг оболочки шарика уменьшается. Но внутри завязанного шарика их число не изменяется. Поэтому число ударов молекул о внутренние стенки оболочки становится больше числа ударов о внешние стенки, и шарик раздувается до тех пор, пока сила упругости его резиновой оболочки не станет равной силе давления газа. Шаровая форма, которую принимает раздутая обо­лочка шарика, показывает, что газ давит на ее стенки по всем направле­ниям одинаково, иначе говоря, число ударов, молекул, приходящихся на каждый квадратный сантиметр площади поверхности, по всем направлениям одинаково. Одинаковое давление по всем направлениям характерно для газа и является следствием беспорядочного движения огромного числа молекул.

Очевидно, что давление газа на стенку сосуда тем больше, чем чаще молекулы ударяют о стенку.

Если объем газа уменьшить, но так, чтобы масса его осталась неизменной, то в каждом кубическом сантиметре газа молекул станет больше, плотность газа увеличится. Тогда число ударов молекул о стенки сосуда возрастет, т. е. возрастет давление газа. Эго можно подтвердить опытом.

На рисунке 84, а изображена стеклянная трубка, один конец которой закрыт тонкой резиновой пленкой. В трубку вставлен поршень. При вдвига­нии поршня объем воздуха в трубке уменьшается, т. е. газ сжимается (рис. 84, б). Резиновая пленка при этом выгибается наружу, указывая на то, что давление воздуха в трубке увеличилось.

Наоборот, при увеличении объема данной массы газа число молекул в каждом кубическом сантиметре уменьшится, От этого уменьшится число ударов о стенки сосуда — давление газа уменьшится. Действительно, при вытягивании поршня из трубки объем воздуха в ней увеличи­вается, пленка прогибается внутрь сосуда (рис. 84, б), указывая на уменьшение давления воздуха в трубке. Такие же явления наблюдались бы, если бы вместо воздуха в трубке находился любой другой газ.

Итак, при уменьшении объема данной массы газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается.

А как изменится давление газа, если нагреть его при постоянном объеме? Мы знаем, что ско­рость движения молекул газа при нагревании его увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы будут ударять о стенки сосуда чаще. Кроме того, каждый удар молекулы о стенку сосуда станет сильнее. Вследствие этого стенки сосуда будут испытывать большее давление.

Следовательно, давление одной и той же массы газа в данном объеме тем больше, чем выше темпе­ратура газа.

Для хранения и перевозки газов их сильно сжимают, от этого давление их возрастает, газы приходится заключать в специальные, очень прочные стальные баллоны (рис. 85). В таких бал­лонах, например, содержат сжатый воздух в под­водных лодках, кислород, используемый при сварке металлов, и многие другие газы.

Вопросы. 1. Как можно на опыте показать, что газ производит давлений на стенки сосуда, в котором он находится? 2. Как объясняют давление газ на основе учения о движении молекул? 3. Из чего можно заключить, что газ производит одинаковое давление по всем направлениям? 4. Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении? 5. В каком состоянии газ производит большее давление: в холодном или нагретом? Объясните почему. 6. Почему сжатые газы содержат в специальных балло­нах? 7. Как изменится давление газа, если баллон, в котором он находится, соединить с таким же пустым баллоном?