Tlak je fizička veličina koja se izračunava na sljedeći način: podijelite silu tlaka s površinom na koju ova sila djeluje. Sila pritiska određena je težinom. Svaki fizički objekt vrši pritisak jer ima barem neku težinu. U članku će se detaljno raspravljati o tlaku u plinovima. Primjeri će ilustrirati o čemu ovisi i kako se mijenja.
Razlika u mehanizmima pritiska čvrstih, tekućih i plinovitih tvari
Koja je razlika između tekućina, krutih tvari i plinova? Prva dva imaju volumen. Čvrsta tijela zadržavaju svoj oblik. Plin smješten u posudu zauzima sav njezin prostor. To je zbog činjenice da molekule plina praktički ne komuniciraju jedna s drugom. Stoga se mehanizam tlaka plina bitno razlikuje od mehanizma tlaka tekućina i krutih tvari.
Spustimo težinu na stol. Pod utjecajem gravitacije uteg bi se nastavio kretati prema dolje kroz stol, ali to se ne događa. Zašto? Budući da se molekule tablice približavaju molekulama izkojima je uteg napravljen, razmak između njih se toliko smanjuje da između čestica utega i stola nastaju odbojne sile. Kod plinova je situacija potpuno drugačija.
Atmosferski tlak
Prije razmatranja tlaka plinovitih tvari, uvedemo pojam bez kojeg su daljnja objašnjenja nemoguća - atmosferski tlak. To je učinak koji ima zrak (atmosfera) oko nas. Zrak nam se samo čini bestežinskim, zapravo ima težinu, a da bismo to dokazali, napravimo eksperiment.
Izvagat ćemo zrak u staklenoj posudi. Tamo ulazi kroz gumenu cijev u vratu. Uklonite zrak vakuumskom pumpom. Izmjerimo tikvicu bez zraka, zatim otvorimo slavinu i kada zrak uđe, njena težina će se dodati težini tikvice.
Pritisak u posudi
Shvatimo kako plinovi djeluju na stijenke posuda. Molekule plina praktički ne komuniciraju jedna s drugom, ali se ne raspršuju jedna od druge. To znači da i dalje dopiru do zidova posude, a zatim se vraćaju. Kada molekula udari o zid, njezin udar djeluje na posudu s određenom silom. Ova moć je kratkog vijeka.
Još jedan primjer. Bacimo lopticu na list kartona, lopta će odskočiti, a karton će malo odstupiti. Zamijenimo loptu pijeskom. Utjecaji će biti mali, nećemo ih ni čuti, ali njihova će se snaga nagomilati. List će se stalno odbijati.
Sada uzmimo najmanje čestice, na primjer čestice zraka koje imamo u plućima. Puhnemo na karton, a on će odstupiti. tjeramomolekule zraka udaraju u karton, zbog čega na njega djeluje sila. Kakva je to moć? Ovo je sila pritiska.
Zaključimo: tlak plina je uzrokovan udarima molekula plina na stijenke posude. Mikroskopske sile koje djeluju na stijenke se zbrajaju i dobivamo ono što se zove sila pritiska. Rezultat dijeljenja sile po površini je pritisak.
Postavlja se pitanje: zašto, ako uzmete list kartona u ruku, on ne odstupa? Uostalom, to je u plinu, odnosno u zraku. Budući da se udari molekula zraka na jednu i drugu stranu lima međusobno uravnotežuju. Kako provjeriti udaraju li molekule zraka u zid? To se može učiniti uklanjanjem udara molekula s jedne strane, na primjer, ispumpavanje zraka.
Eksperiment
Postoji poseban uređaj - vakuum pumpa. Ovo je staklena posuda na vakuumskoj ploči. Ima gumenu brtvu tako da nema razmaka između čepa i ploče kako bi čvrsto pristajali jedno uz drugo. Na vakuum jedinicu je pričvršćen manometar koji mjeri razliku tlaka zraka izvan i ispod haube. Slavina omogućuje spajanje crijeva koje vodi do pumpe na prostor ispod haube.
Postavite lagano napuhani balon ispod poklopca. Zbog činjenice da je lagano napuhana, kompenziraju se udari molekula unutar lopte i izvan nje. Pokrivamo loptu kapom, uključujemo vakuumsku pumpu, otvaramo slavinu. Na mjeraču tlaka ćemo vidjeti da razlika između zraka iznutra i izvana raste. Što je s balonom? Povećava se u veličini. Tlak, odnosno udari molekulaizvan lopte, sve manje. Čestice zraka unutar lopte ostaju, kompenzacija udaraca izvana i iznutra je narušena. Volumen lopte raste zbog činjenice da silu pritiska molekula zraka izvana djelomično preuzima elastična sila gume.
Sada zatvorite slavinu, isključite pumpu, ponovno otvorite slavinu, odvojite crijevo da pusti zrak ispod čepa. Lopta će se početi smanjivati. Kada je razlika tlaka izvan i ispod poklopca nula, bit će iste veličine kao i prije početka eksperimenta. Ovo iskustvo dokazuje da možete vlastitim očima vidjeti pritisak ako je veći s jedne strane nego s druge, tj. ako se plin ukloni s jedne strane i ostavi na drugoj.
Zaključak je sljedeći: tlak je veličina koja je određena udarima molekula, ali utjecaji mogu biti brojniji i manje brojni. Što je više udaraca na stijenke posude, to je veći pritisak. Osim toga, što je veća brzina molekula koje udaraju o stijenke posude, to je veći tlak koji proizvodi ovaj plin.
Ovisnost pritiska o volumenu
Recimo da imamo određenu masu oka, odnosno određeni broj molekula. Tijekom pokusa koje ćemo razmotriti, ova se količina ne mijenja. Plin je u cilindru s klipom. Klip se može pomicati gore-dolje. Gornji dio cilindra je otvoren, na njega ćemo staviti elastični gumeni film. Čestice plina udaraju o stijenke posude i film. Kada je tlak zraka iznutra i izvana isti, film je ravan.
Ako pomaknete klip prema gore,broj molekula će ostati isti, ali će se udaljenost između njih smanjiti. Kretat će se istom brzinom, njihova masa se neće mijenjati. Međutim, broj pogodaka će se povećati jer molekula mora prijeći kraću udaljenost da bi stigla do zida. Kao rezultat toga, pritisak bi se trebao povećati, a film bi se trebao saviti prema van. Dakle, sa smanjenjem volumena, tlak plina raste, ali to je pod uvjetom da masa plina i temperatura ostanu nepromijenjeni.
Ako klip pomaknete prema dolje, udaljenost između molekula će se povećati, što znači da će se povećati i vrijeme koje će im trebati da dođu do stijenki cilindra i filma. Pogoci će postati rjeđi. Plin izvana ima veći tlak od onog unutar cilindra. Stoga će se film saviti prema unutra. Zaključak: tlak je veličina koja ovisi o volumenu.
Ovisnost tlaka o temperaturi
Pretpostavimo da imamo posudu s plinom na niskoj temperaturi i posudu s istim plinom u istoj količini na visokoj temperaturi. Pri bilo kojoj temperaturi, tlak plina je posljedica udara molekula. Broj molekula plina u obje posude je isti. Volumen je isti, tako da udaljenost između molekula ostaje ista.
Kako temperatura raste, čestice se počinju kretati brže. Posljedično, povećava se broj i jačina njihovih udara na stijenke posude.
Sljedeći eksperiment pomaže provjeriti točnost tvrdnje da kako temperatura plina raste, njegov tlak raste.
Uzmiboca, čiji je vrat zatvoren balonom. Stavite ga u posudu s vrućom vodom. Vidjet ćemo da je balon napuhan. Ako promijenite vodu u posudi u hladnu i tamo stavite bocu, balon će se ispuhati, pa čak i biti uvučen.
