Druk is een fysieke grootheid die als volgt wordt berekend: deel de drukkracht door het oppervlak waarop deze kracht werkt. De drukkracht wordt bepaald door het gewicht. Elk fysiek object oefent druk uit omdat het op zijn minst enig gewicht heeft. Het artikel gaat in detail in op de druk in gassen. Voorbeelden zullen illustreren waar het van afhangt en hoe het verandert.
Het verschil in drukmechanismen van vaste, vloeibare en gasvormige stoffen
Wat is het verschil tussen vloeistoffen, vaste stoffen en gassen? De eerste twee hebben volume. Vaste lichamen behouden hun vorm. Een gas dat in een vat wordt geplaatst, neemt al zijn ruimte in beslag. Dit komt door het feit dat gasmoleculen praktisch geen interactie met elkaar hebben. Daarom verschilt het mechanisme van gasdruk aanzienlijk van het mechanisme van druk van vloeistoffen en vaste stoffen.
Laten we het gewicht op tafel leggen. Onder invloed van de zwaartekracht zou het gewicht door de tafel naar beneden blijven bewegen, maar dit gebeurt niet. Waarom? Omdat de moleculen van de tafel de moleculen naderen vanwaarvan het gewicht wordt gemaakt, neemt de afstand daartussen zo veel af dat er afstotende krachten ontstaan tussen de deeltjes van het gewicht en de tafel. Bij gassen is de situatie compleet anders.
Atmosferische druk
Laten we, voordat we de druk van gasvormige stoffen beschouwen, een concept introduceren zonder welke verdere uitleg onmogelijk is: atmosferische druk. Dit is het effect dat de lucht (atmosfeer) om ons heen heeft. Lucht lijkt ons alleen gewichtloos, het heeft zelfs gewicht, en om dit te bewijzen, laten we een experiment uitvoeren.
We wegen de lucht in een glazen vat. Het komt daar binnen via een rubberen buis in de nek. Verwijder lucht met een vacuümpomp. Laten we de kolf wegen zonder lucht, dan de kraan openen, en wanneer de lucht binnenkomt, wordt het gewicht opgeteld bij het gewicht van de kolf.
Druk in vat
Laten we uitzoeken hoe gassen werken op de wanden van vaten. Gasmoleculen hebben praktisch geen interactie met elkaar, maar ze verspreiden zich niet van elkaar. Dit betekent dat ze nog steeds de wanden van het vat bereiken en vervolgens terugkeren. Wanneer een molecuul de muur raakt, werkt de impact ervan met enige kracht op het vat. Deze kracht is van korte duur.
Nog een voorbeeld. Laten we een bal naar een vel karton gooien, de bal zal stuiteren en het karton zal een beetje afwijken. Laten we de bal vervangen door zand. De impact zal klein zijn, we zullen ze niet eens horen, maar hun kracht zal toenemen. Het blad wordt constant afgewezen.
Laten we nu de kleinste deeltjes nemen, bijvoorbeeld luchtdeeltjes die we in onze longen hebben. We blazen op het karton, en het zal afwijken. wij dwingenluchtmoleculen raken het karton, waardoor er een kracht op werkt. Wat is deze kracht? Dit is de kracht van druk.
Laten we concluderen: gasdruk wordt veroorzaakt door inslagen van gasmoleculen op de wanden van het vat. De microscopische krachten die op de muren inwerken, tellen op en we krijgen wat de drukkracht wordt genoemd. Het resultaat van het delen van kracht door oppervlakte is druk.
De vraag rijst: waarom wijkt het niet af als je een vel karton in je hand neemt? Het zit tenslotte in het gas, dat wil zeggen in de lucht. Omdat de effecten van luchtmoleculen aan de ene en de andere kant van de plaat elkaar in evenwicht houden. Hoe controleer je of luchtmoleculen echt de muur raken? Dit kan door de inslagen van moleculen aan één kant weg te nemen, bijvoorbeeld door lucht weg te pompen.
Experiment
Er is een speciaal apparaat - een vacuümpomp. Dit is een glazen pot op een vacuümplaat. Het heeft een rubberen pakking zodat er geen opening is tussen de dop en de plaat, zodat ze strak op elkaar passen. Aan de vacuümunit is een manometer bevestigd die het verschil in luchtdruk buiten en onder de kap meet. Met de kraan kan de slang naar de pomp worden aangesloten op de ruimte onder de kap.
Plaats een licht opgeblazen ballon onder de dop. Doordat hij licht opgeblazen is, worden de schokken van de moleculen binnen en buiten de bal gecompenseerd. We bedekken de bal met een dop, zetten de vacuümpomp aan, openen de kraan. Op de manometer zullen we zien dat het verschil tussen de lucht binnen en buiten steeds groter wordt. Wat dacht je van een ballon? Het neemt in omvang toe. Druk, dat wil zeggen effecten van moleculenbuiten de bal, kleiner worden. Luchtdeeltjes in de bal blijven achter, de compensatie van schokken van buiten en van binnen wordt geschonden. Het volume van de bal groeit doordat de drukkracht van de luchtmoleculen van buitenaf gedeeltelijk wordt overgenomen door de elastische kracht van het rubber.
Sluit nu de kraan, zet de pomp uit, open de kraan weer, koppel de slang los om lucht onder de dop te laten. De bal zal in omvang beginnen te krimpen. Wanneer het drukverschil buiten en onder de dop nul is, zal deze even groot zijn als voor de start van het experiment. Deze ervaring bewijst dat je de druk met je eigen ogen kunt zien als deze aan de ene kant groter is dan aan de andere kant, d.w.z. als het gas aan de ene kant wordt verwijderd en aan de andere kant wordt achtergelaten.
De conclusie is deze: druk is een grootheid die wordt bepaald door de inslagen van moleculen, maar de inslagen kunnen talrijker en minder talrijk zijn. Hoe meer slagen op de wanden van het vat, hoe groter de druk. Bovendien, hoe groter de snelheid van de moleculen die de wanden van het vat raken, hoe groter de druk die door dit gas wordt geproduceerd.
Afhankelijkheid van druk op volume
Laten we zeggen dat we een bepaalde massa van het oog hebben, dat wil zeggen een bepaald aantal moleculen. In de loop van de experimenten die we zullen overwegen, verandert deze hoeveelheid niet. Het gas zit in een cilinder met een zuiger. De zuiger kan op en neer worden bewogen. Het bovenste deel van de cilinder is open, we plaatsen er een elastische rubberen film op. De gasdeeltjes raken de wanden van het vat en de film. Wanneer de luchtdruk binnen en buiten hetzelfde is, is de film vlak.
Als je de zuiger omhoog beweegt,het aantal moleculen blijft hetzelfde, maar de afstand ertussen wordt kleiner. Ze zullen met dezelfde snelheden bewegen, hun massa zal niet veranderen. Het aantal treffers zal echter toenemen omdat het molecuul een kortere afstand moet afleggen om de muur te bereiken. Als gevolg hiervan moet de druk toenemen en moet de film naar buiten buigen. Daarom neemt bij een afname van het volume de druk van een gas toe, maar op voorwaarde dat de massa van het gas en de temperatuur ongewijzigd blijven.
Als je de zuiger naar beneden beweegt, wordt de afstand tussen de moleculen groter, wat betekent dat de tijd die ze nodig hebben om de wanden van de cilinder te bereiken en de film ook toeneemt. Hits worden zeldzamer. Het gas buiten heeft een hogere druk dan dat in de cilinder. Daardoor zal de folie naar binnen buigen. Conclusie: druk is een hoeveelheid die afhangt van het volume.
Afhankelijkheid van druk op temperatuur
Stel dat we een vat hebben met een gas van lage temperatuur en een vat met hetzelfde gas in dezelfde hoeveelheid bij een hoge temperatuur. Bij elke temperatuur is de druk van een gas te wijten aan de impact van moleculen. Het aantal gasmoleculen in beide vaten is hetzelfde. Het volume is hetzelfde, dus de afstand tussen de moleculen blijft hetzelfde.
Naarmate de temperatuur stijgt, beginnen de deeltjes sneller te bewegen. Dientengevolge neemt het aantal en de sterkte van hun impact op de wanden van het vat toe.
Het volgende experiment helpt de juistheid te verifiëren van de bewering dat als de temperatuur van een gas stijgt, de druk toeneemt.
Neemfles waarvan de hals is afgesloten met een ballon. Plaats het in een bak met heet water. We zullen zien dat de ballon is opgeblazen. Als je het water in de container verandert in koud en er een fles in plaatst, zal de ballon leeglopen en zelfs naar binnen worden getrokken.
