Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Тема 4. Тиск рідин та газів

rnk.com.ua/108801

Будете навчатися:

• розуміти, як гази тиснуть на поверхню;
• розуміти, від яких параметрів залежить тиск рідин;
• пояснювати, як змінюється температура та тиск повітря з висотою;
• представляти наукові ідеї за допомогою символів та формул.

Тиск газів

Надуваючи повітряну кульку, ми спостерігаємо збільшення розмірів кульки. Це відбувається тому, що молекули газу перебувають у неперервному і хаотичному русі. Сили взаємодії між ними надзвичайно малі. У процесі хаотичного руху частина молекул стикається зі стінками гумової кульки, змінюючи напрямок свого руху. Кожна молекула, вдаряючись, чинить надзвичайно малий тиск, але велика кількість таких ударів створює значну силу тиску, яка спричиняє деформацію поверхні. Сила тиску частинок повітря на внутрішню частину кульки називається тиском газу. Під впливом ударів молекул, які зіштовхуються з внутрішніми стінками, кулька роздувається. Куляста форма свідчить про те, що тиск усередині кульки однаковий в усіх напрямках.

Зміна кількості та сили ударів на поверхню одиничної площі призводить до зміни тиску газу (рис. 8.32). Це можна зробити двома способами: змінити об'єм газу або температуру газу. З підвищенням температури тиск збільшується. Чим вища температура, тим більша швидкість руху молекул газу, тим з більшою силою кожна з них діє на стінки посудини в момент зіткнення, а також частішими стають їх зіткнення зі стінками.

Рис. 8.32. Молекули газу вдаряються об стінку посудини

Зменшення об'єму посудини призводить до того, що збільшується кількість молекул у кожній одиниці об'єму. Тому кількість ударів молекул, які зіштовхуються зі стінками за одиницю часу, зростає. Чим до меншого об'єму стиснуто газ, тим більший його тиск. Чим більший об'єм однієї й тієї самої маси газу, тим менший тиск він створює на стінки посудини.

Попрактикуйтеся

1. Поміркуйте, чи можна надути квадратну чи трикутну кульку.

2. Вакуум не містить частинок. Якщо повітряну кульку, наповнену повітрям, помістити у вакуум, вона почне розширюватися. Поясніть це, застосовуючи свої знання про тиск газу.

Тиск рідин

Рідини зберігають об'єм, але легко змінюють свою форму — вони набувають форми тієї посудини, у якій містяться. Тому рідина створює тиск як на дно, так і на бічні стінки посудини, у якій міститься.

Можна переконатися, що рідина тисне не лише на дно, а й на стінки посудини, і цей тиск зростає з глибиною. Для цього на різній висоті у циліндричній посудині можна зробити невеликі отвори й налити в неї воду.

Вода струменями почне витікати з цих отворів. Чим ближче отвір до дна посудини, тим більшою буде довжина струменю (рис. 8.33). Якщо в циліндрічні посудини налити різні рідини, то струмені рідин на одній висоті будуть мати різну довжину (рис. 8.34). Ці два досліди доводять те, що тиск рідини або газу залежить від густини та висоти стовпчика речовини.

Рис. 8.33. Тиск рідини на різній глибині

Рис. 8.34. Тиск рідин різної густини на одній глибині

Тиск, який діє на рідину або газ, що міститься в закритій посудині, передається в кожну точку рідини або газу без змін. Це твердження, сформульоване Б. Паскалем у 1663 р., є основним законом гідростатики й аеростатики. Обчислити його можна за формулою: р = ρgh, де ρ — густина рідини або газу; h — висота стовпчика рідини або газу (глибина, на яку занурено тіло); g — прискорення вільного падіння.

Рис. 8.35. Графічна схема формули тиску рідин або газів

Рис. 8.36. Текстова формула тиску рідин або газів

Попрактикуйтеся

3. Найглибша водойма України — це гранітний кар'єр завглибшки 101 метр, який знаходиться в Житомирській області. Який тиск на дні цього кар'єру?

4. Об'єднайтеся у декілька груп. Оберіть професію, пов'язану з вимірюванням або використанням тиску рідин чи газів (наприклад, інженер-хімік, механік гідравлічних систем, метеоролог, лікар-анестезіолог, пілот, космонавт, інженер нафтогазовидобувної галузі, технік кліматичних систем, пожежник, дайвер). Дослідіть, як у вашій професії використовується тиск, наводячи конкретні приклади, інструменти та методи. Підготуйте коротку презентацію з описом професії та використанням тиску. Оприлюдніть свої результати перед класом і будьте готові відповідати на запитання.

Завдання 8.4. Досліджуємо тиск різних рідин

Науковці довели, що тиск рідини залежить від її густини.

1. Запишіть висновок науковця так, щоб його можна було перевірити в експерименті.

2. Сплануйте дослідження для перевірки цього висновку. Плануючи своє дослідження, вам потрібно буде врахувати таке:

• а) що ви будете змінювати (незалежна змінна);
• б) що ви будете вимірювати (залежна змінна);
• в) що ви залишите незмінним (контрольні змінні).

3. Поміркуйте, які прилади вам знадобляться та підготуйте їх.

4. Проведіть необхідні вимірювання.

5. Складіть таблицю та запишіть свої результати.

6. Напишіть висновок, зазначте, як тиск рідини залежить від її густини.

Використання тиску рідини

За законом Паскаля працюють найрізноманітніші гідравлічні пристрои́ гальмівні системи автомобілів, гідравлічні преси й підйомники, водогони, шлюзи, гідравлічні домкрати та інші. Механізми, що працюють за допомогою рідини, називаються гідравлічними. Найпростіший гідравлічний механізм складається із двох циліндрів різного діаметра, обладнаних поршнями.

Циліндри з'єднані між собою й заповнені рідиною, найчастіше маслом (рис. 8.37). Якщо помістити вантаж на поршень, що закриває вузьку посудину, то поршень опуститься. Щоб відновити рівність рівнів рідини в посудинах, на широкий поршень потрібно покласти вантаж, більший за той, що знаходиться на вузькому поршні.

Рис. 8.37. Гідравлична машина

Позначимо F₁ і F₂ — сили, що діють на поршні, S₁ і S₂ — площі поршнів. Тоді тиск під малим поршнем:

Згідно із законом Паскаля тиск рідиною передається в усіх напрямках однаково, тому: р₁ = р₂. Підставивши відповідні значення в останнє рівняння, отримаємо:

Попрактикуйтеся

5. На менший поршень гідравлічної машини площею 2 см² діє сила 50 Н. Яку силу тиску створюватиме більший поршень, площа якого 100 см²?

6. Якщо на менший поршень гідравлічного преса діє сила 80 Н, то на більший поршень площею 2400 см² передається сила тиску 32 кН. Яка площа меншого поршня?

Атмосфера Землі

Люди живуть на дні повітряного «океану» — атмосфери. Атмосфера — зовнішня повітряна оболонка Землі, яка є сумішшю певної кількості газів та водяної пари. Атмосфера утримується силою тяжіння Землі та обертається разом з нею. Нижньою межею атмосфери умовно вважають поверхню суходолу та Світового океану, хоча повітря проникає і в земну кору, і у воду.

• Екзосфера може поширюватися до 10 000 км. Це зовнішня частина атмосфери планети, яка здебільшого складається з водню і гелію. На висоті 2000-3500 км поступово переходить у міжпланетний простір.

• Термосфера поширюється приблизно до 700 км. Завдяки поглинанню більшої частини сонячних променів температура повітря тут може сягати понад 1000°. У нижній частині термосфери, в середньому на відстані 100 км від земної поверхні, проводять лінію Кармана. Вище цієї лінії сучасні літаки літати не можуть, тому що повітря тут стає настільки розрідженим, що крила літака не здатні сформувати підйомну силу.

• Мезосфера поширюється до висоти приблизно 85 км. Тут повітря вже в тисячі разів більш розріджене, ніж біля Землі. Температура повітря дуже сильно знижується, на верхній межі мезосфери — аж до -183 °С. Повітряні кулі та літаки не можуть піднятися на таку висоту, а космічні кораблі та супутники літають значно вище.

• Стратосфера розташована над тропосферою і простягається до висоти 55 км. Повітря там дуже розріджене, майже без домішок і водяної пари, тому хмари зазвичай відсутні.

• Тропосфера — нижній (приземний) шар атмосфери. Її товщина над поверхнею планети варіюється: над полюсами становить 8 км, у середніх широтах — 11 км, а над екватором — до 18 км. Тропосфера є найщільнішим шаром, у якому зосереджено близько 80 % всієї маси повітря.

Атмосферний тиск

Усі тіла й речовини, зокрема атмосферне повітря, мають вагу. Хоча повітря дуже легке, висота його шару обчислюється сотнями кілометрів. Це сприяє виникненню атмосферного тиску. На кожен квадратний сантиметр повітря тисне з силою трохи більшою за 10 Н. Першим довів існування атмосферного тиску і виміряв його італійський науковець Еванджеліста Торрічеллі в середині 17 століття (рис. 8.38).

Рис. 8.38. Італійський науковець Еванджеліста Торрічеллі

Для цього він використав запаяну з одного кінця скляну трубку завдовжки 1 м із нанесеними поділками. Трубку він наповнив ртуттю і перевернув її у миску з ртуттю (рис. 8.39). Він спостерігав, що під час зміни атмосферного тиску ртуть у трубці то піднімалася, то опускалася. Цей прилад був названий ртутним барометром. Торрічеллі запропонував вимірювати атмосферний тиск в міліметрах ртутного стовпа (мм рт.ст.) 1 мм. рт. ст. = 133,3 Па.

Рис. 8.39. Дослід Торрічеллі

Значення атмосферного тиску, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм рт.ст. при температурі 20 °С, називають нормальним атмосферним тиском. 760 мм. рт. ст. = 101325 Па. Атмосферний тиск залежить від висоти місцевості. Чим вище від рівня моря, тим менший тиск повітря. Це відбувається тому, що з підняттям зменшується висота стовпа повітря, який тисне на земну поверхню. Для Києва, що розташований на висотах 140-200 м над рівнем моря, нормальним буде середній тиск 746 мм рт. ст. У тропосфері з підняттям на кожні 1000 м тиск зменшується приблизно на 100 мм рт. ст. (рис. 8.40).

Рис. 8.40. Зміна атмосферного тиску з висотою

Наука в дії. Вплив атмосферного тиску на здоров’я людини

Атмосферний тиск — це тиск атмосфери на земну поверхню та предмети, що знаходяться на ній. Його вплив на здоров'я людини неминучий, особливо для тих, хто страждає на захворювання серцево-судинної системи. Зміни погодних умов та атмосферного тиску можуть спричиняти дискомфорт у людей. Циклон — це область зниженого атмосферного тиску, яка зазвичай супроводжується підвищеною вологістю, хмарністю, опадами та невеликим підвищенням температури.

Загальна слабкість, утруднення дихання, брак повітря, задишка — все це основні прояви негативного впливу циклону на людину. Це обумовлено тим, що повітря в цей час дуже бідне на кисень.

Українські лікарі наголошують, що найголовніше під час приходу циклону — контролювати рівень кров'яного тиску. Для цього вони рекомендують вживати протягом дня більше рідини. Контрастний душ, міцний спокійний сон, ранкова склянка теплої води, а також достатня кількість води упродовж дня допоможуть підтримати організм у належному стані та не зазнавати впливу циклону.

Антициклон — це область підвищеного атмосферного тиску, яка зазвичай супроводжується ясною безвітряною погодою та відсутністю різких перепадів рівня вологості або температури. Основними проявами впливу антициклону є серцеві і головні болі, зниження працездатності, а також загальна слабкість і нездужання. Антициклон активно сприяє зниженню імунітету та зменшенню кількості лейкоцитів у крові, що, у свою чергу, підвищує схильність організму до інфекцій. Для полегшення впливу антициклону лікарі рекомендують вранці прийняти підбадьорливий контрастний душ, зробити легку гімнастику, а також обмежити споживання їжі протягом дня, віддаючи перевагу фруктам, багатим Калієм.

Підсумки

• Тиск, який діє на рідину або газ, що знаходяться в закритій посудині, передається в кожну точку рідини або газу без змін.

• Атмосфера — зовнішня повітряна оболонка Землі, яка є сумішшю певної кількості газів та водяної пари.

• Нормальний атмосферний тиск — це значення атмосферного тиску, що дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм. рт. ст. при температурі 20 °С.

Ключові поняття

Тиск газу, тиск рідин, гідравлічна машина, ртутний барометр, нормальний атмосферний тиск.

Оцініть свої досягнення

• Я можу представляти наукові ідеї за допомогою символів та формул;

• Я можу спланувати дослідження для перевірки залежності тиску від глибини та роду рідини;

• Я можу обчислити температуру та атмосферний тиск на будь-якій висоті.