Фізика. 7 клас. Головко

§ 29. Тиск газів і рідин. Закон Паскаля

Тиск твердих тіл на поверхню зумовлений їх вагою. А чим зумовлений тиск рідин і газів? Які спільні властивості мають рідини і гази?

• Тиск газу
• Передача тиску газами й рідинами
• Закон Паскаля

Тиск газу. Ми вже знаємо, що гази, на відміну від твердих тіл і рідин, заповнюють усю посудину, в якій містяться, наприклад, камеру автомобільної шини або волейбольного м’яча. При цьому газ чинить тиск на стінки камери або будь-якого іншого тіла, в якому він міститься. Тиск газу зумовлений іншими причинами, ніж тиск твердого тіла на опору.

Відомо, що молекули газу безладно рухаються. Під час свого руху вони стикаються одна з одною, а також зі стінками посудини, в якій міститься газ (рис. 3.48).

Рис. 3.48. Удари молекул газу об стінки посудини

Тиск газу на стінки посудини (і на вміщене в газ тіло) спричинюється ударами молекул газу.

Розглянемо такий дослід. Під ковпак повітряного насоса кладуть зав’язану гумову кульку. Вона містить невелику кількість повітря (рис. 3.49, а) і має неправильну форму. Потім насосом викачують повітря із-під ковпака. Оболонка кульки, навколо якої повітря стає дедалі більш розрідженим, поступово роздувається і набирає форми кулі (рис. 3.49, б).

Рис. 3.49. Дослід із гумовою кулькою

Це пояснюється тим, що молекули повітря безперервно бомбардують стінки кульки всередині й зовні. Коли відкачувати повітря, кількість молекул під ковпаком навколо оболонки кульки зменшується. Але всередині зав’язаної кульки їх кількість не змінюється. Тому кількість ударів молекул об зовнішні стінки оболонки стає меншою від числа ударів об внутрішню стінку, й кулька роздувається доти, доки сила пружності її гумової оболонки не дорівнюватиме силі тиску газу.

Куляста форма, якої набирає роздута оболонка кульки, свідчить про те, що газ тисне на стінки в усіх напрямах однаково.

З’ясуємо, від чого залежить тиск газу. Розглянемо досліди. На рисунку 3.50, а зображено скляну трубку з повітрям, один кінець якої закрито тонкою гумовою плівкою. Плівка не деформована, отже тиск повітря в трубці та ззовні однаковий.

Рис. 3.50. Зміна форми плівки

У трубку вставлено поршень. Коли його всувати, об’єм повітря в трубці зменшується, але оскільки маса повітря залишається незмінною, то концентрація молекул (їх кількість в одиниці об’єму) збільшується. Гумова плівка при цьому вигинається назовні, показуючи, що тиск повітря в трубці збільшився (рис. 3.50, б).

Навпаки, зі збільшенням об’єму цієї самої маси повітря його концентрація зменшується, а від цього зменшується тиск. Справді, коли витягати поршень з трубки, об’єм повітря збільшується, плівка прогинається всередину посудини, показуючи, що тиск повітря в трубці зменшився (рис.3.50, в). Такі самі явища спостерігалися б, коли б замість повітря в трубці був будь-який інший газ.

Отже, зі зменшенням концентрації молекул тиск зменшується, а зі збільшенням - збільшується, за умови, що температура газу не змінюється.

Якщо не змінювати об’єму газу і при цьому його нагрівати, то швидкість руху молекул збільшується, а їх кількість в одиниці об’єму (концентрація) залишається незмінною. Рухаючись швидше, молекули частіше вдаряються об стінки посудини, внаслідок цього ті зазнають більшого тиску.

Отже, тиск газу в закритій посудині буде тим більший, чим вища температура газу, за умови, що маса газу не змінюється.

Передача тиску газами й рідинами. З розглянутих дослідів можна зробити ще один висновок - газ може передавати тиск. При опусканні поршня тиск, створений поршнем, передається через газ стінкам трубки і гумовій плівці. Такий же висновок можна зробити, якщо у трубку замість повітря помістити рідину.

Внаслідок земного тяжіння рідини також мають вагу, тому тиснуть на дно посудини, в якій містяться. Але на відміну від твердих тіл, для рідин характерна текучість: окремі шари і дрібні частинки рідини можуть переміщуватись одні відносно одних, але не так вільно як молекули газу. Вони можуть лише змінювати своє положення, міняючись місцями із сусідніми молекулами. Отже, рідини, як і гази, тиснуть на всі стінки посудини, в якій містяться.

Повторимо подібний дослід з рідиною. Наберемо в скляну трубку з поршнем води і зав’яжемо зверху гумовою плівкою (рис. 3.51).

Рис. 3.51. Рідина передає тиск

Натиснемо на поршень. При русі поршня молекули води, що прилягають до нього, зміщуються вглиб рідини. Поступово процес охоплює весь об’єм рідини. Внаслідок цього зростає тиск на плівку і на стінки трубки. Густина рідини і кількість молекул в одиниці об’єму (концентрація) під час передачі тиску не змінюються, на відміну від цих характеристик газу. Зміна об’єму, зумовлена переміщенням поршня, компенсується прогином плівки і незначною деформацією стінок трубки.

Закон Паскаля. Як для рідин, так і для газів характерна спільна властивість: вони передають тиск в усіх напрямках однаково. Цю особливість дослідив французький фізик Блез Паскаль, який сформулював закон, названий на його честь законом Паскаля.

Закон Паскаля. Тиск, який діє на рідину або газ, передається ними в усіх напрямках однаково.

Переконаємось у цьому на дослідах.

На рис. 3.52 зображено порожнисту кулю, що має в різних місцях отвори. До кулі приєднано трубку, в яку вставлено поршень. Якщо набрати води в кулю і всунути в трубку поршень, то вода поллється з усіх отворів кулі (рис. 3.52, а). У цьому досліді поршень тисне на поверхню води в трубці. Частинки води під поршнем, ущільнюючись, передають його тиск іншим шарам, що лежать глибше. Таким чином, тиск поршня передається в кожну точку рідини, яка заповнює кулю. Внаслідок цього частина води виштовхується з усіх отворів кулі у вигляді струменів.

Рис. 3.52. Рідини і гази передають тиск в усіх напрямках однаково

Якщо кулю заповнити димом і всувати поршень у трубку, то з усіх отворів кулі почнуть виходити клуби диму (рис. 3.52, б). Це підтверджує, що й гази передають тиск, який чиниться на них, в усі боки однаково.

Головне у цьому параграфі

Тиск газу на стінки посудини (і на вміщене в газ тіло) спричинюється ударами молекул газу.

Тиск газу залежить від концентрації молекул і температури: а) зі зменшенням концентрації молекул тиск зменшується, а зі збільшенням - збільшується, за умови, що температура газу не змінюється; б) зі зростанням температури газу його тиск збільшується, за умови, що маса газу не змінюється.

Як для рідин, так і для газів характерна спільна властивість: вони передають тиск в усіх напрямках однаково, - закон Паскаля.

Запитання для самоперевірки

• 1. Як пояснюють тиск газу на основі вчення про рух молекул?
• 2. Від чого залежить тиск газу?
• 3. Чим зумовлений тиск рідини?
• 4. Яка властивість спільна для рідин і газів?
• 5. Сформулюйте закон Паскаля.

Вправа 18

• 1(с). Розгляньте рисунок 3.54. Поясніть спостережуване явище.
• 2(д). За рисунком 3.55 поясніть механізм передачі тиску твердим та сипким тілом і рідиною. Намалюйте стрілочками напрямок передачі тиску.

Рис. 3.54.

Рис. 3.55.

• 3(д). Після накачування повітря в камеру колеса автомобіля заміряли його тиск. У верхній частині камери його значення 210 кПа. Яке значення тиску повітря у нижній частині камери?
• 4(в). Поясніть, чому мильні бульбашки мають кулясту форму.