Урок 24. Давление газа
В уроке 24 «Давление газа» из курса «Химия для чайников» рассмотрим устройство и принцип действия ртутного барометра, а также дадим определение давлению и рассмотрим его единицы измерения. Не пройдите мимо вводного урока в главу «Законы газового состояния», если вы его еще не читали.
Ртутный барометр
Если стеклянную трубку, закрытую с одного конца, наполнить ртутью (Hg), а затем перевернуть открытым концом в сосуд с ртутью, как показано на рисунке 3-1 (а), уровень ртути в трубке будет опускаться до тех пор, пока высота ртутного столбика над поверхностью ртути в сосуде не достигнет приблизительно 760 миллиметров (мм).
Давление, оказываемое на поверхность ртути в сосуде весом ртутного столбика в трубке, в точности уравновешивается давлением окружающей атмосферы. Вследствие равенства этих давлений, действующих в противоположных направлениях, ртуть больше не выливается из трубки. Подобное устройство называется ртутным барометром. Его изобрел и впервые протестировал итальянский математик и физик Эванджелиста Торричелли для измерения атмосферного давления. Торричелли показал, что высота столбика ртути в барометрической трубке НЕ зависит от формы и размеров трубки, а потому, определяется не весом ртутного столбика, а давлением у его основания. Атмосферное давление на уровне моря поддерживает столбик ртути высотой 760 мм (в среднем). Поскольку в старину для измерения давления пользовались именно ртутными барометрами, то в качестве единицы измерения давления применялся «миллиметр ртутного столба«.
Единицы измерения давления
Давление определяется как сила, действующая на единицу площади (P = F/A), и поэтому в системе СИ единицей давления является паскаль (Па), определяемый как сила в 1 ньютон, действующая на площадь в 1 квадратный метр (Н/м 2 ). Для тех, кто плохо учил физику, напоминаю, что ньютон представляет собой силу, которая придает телу массой 1 кг ускорение 1 м/c 2 .
Пример 1. Плотность жидкой ртути равна 13,596 г/см 3 . Чему будет равен 1 мм ртутного столба (1 мм Hg) в паскалях?
Представим себе разлитый на столе слой ртути площадью 1 м 2 и толщиной 1 мм. Переведем сначала все размеры этого слоя в сантиметры; тогда его объем выразится как:
- 0,100 см × 100 см × 100 см = 1000 см 3
Плотность жидкой ртути равна 13,596 г/см 3 , т.е масса 1 кубического сантиметра ртути составляет 13,596 г, а зная это, нетрудно установить, что масса слоя равна:
- 1000 см 3 × 13,596 г/см 3 = 13 596 г =13,596 кг
Вес этого слоя можно найти как произведение его массы на ускорение силы тяжести, которое равно g = 9,8 м/c 2 ; таким образом, сила, с которой рассматриваемый слой ртути давит на стол, равна:
- F = m·g = 13,596 кг × 9,806 м/c 2 = 133,32 кг·м·с 2 = 133,32 Н
Поскольку площадь слоя ртути равна равна 1 м 2 , оказываемое им на стол давление определяется как :
- P = F/A = 133,32 Н / 1 м 2 = 133,32 Н/м 2 = 133,32 паскаля (Па)
Пример 2. Стандартное давление на уровне моря считается равным точно 760 мм Hg. Выразите это давление в паскалях.
Из примера 1 мы уже знаем, что давление 1 мм Hg эквивалентно 133,32 Па. Следовательно:
- 760 мм Hg × 133,32 Па/мм = 101 323 Па
Паскаль — слишком маленькая единица для измерения давлений газов, подобно тому как кубический метр — слишком неудобная единица для измерения объемов жидкостей в лабораторных условиях. Поэтому обычно давление газов измеряют в стандртных атмосферах:
- 1 атмосфера (атм) = 101 325 Па = 760 мм Hg
Пример 3. В горах, высота которых составляет около 2500 м над уровнем моря, атмосферное давление приблизительно равно 3/4 давления на уровне моря. Выразите это давление в стандартных атмофсерах, паскалях и миллиметрах ртутного столба.
Ответ: давление равно 0,750 атм, 76 000 Па или 570 мм Hg
Надеюсь урок 24 «Давление газа» помог создать некоторое представление о понятии давления и его единицах измерения. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.
Давление для чайников: определение, объяснение простыми словами
Никому не нравится быть под давлением. И не важно, под каким. Об этом спела еще группа Queen вместе с Дэвидом Боуи в своем знаменитом сингле «Under pressure». Что такое давление? Как понять давление? В чем оно измеряется, какими приборами и методами, куда направлено и на что давит. Ответы на эти и другие вопросы – в нашей статье про давление в физике и не только.
Давление в физике
Если преподаватель давит на вас, задавая каверзные задачки, мы сделаем так, чтобы вы смогли верно на них ответить. Ведь понимание самой сути вещей – ключ к успеху! Итак, что такое давление в физике?
Давление – скалярная физическая величина, равная силе, действующей на единицу площади поверхности.
В международной системе СИ измеряется в Паскалях и обозначается буквой p. Единица измерения давления – 1 Паскаль. Русское обозначение – Па, международное – Pa.
Согласно определению, чтобы найти давление, нужно силу разделить на площадь.
Любая жидкость или газ, помещенный в сосуд, оказывает на стенки сосуда давление. Например, борщ в кастрюле действует на ее дно и стены с некоторым давлением. Формула определения давления жидкости:
где g – ускорение свободного падения в гравитационном поле земли, h – высота столба борща в кастрюле, греческая буква «ро» – плотность борща.
Одно из важнейших свойств жидкостей — изотропность. Это значит, что по закону Паскаля во всех направлениях жидкости производимое ею давление передается одинаково. Кстати, подробнее о жидкостях, их свойствах и движении читайте в нашем материале про уравнение Бернулли.
Наиболее распространенный в быту прибор для определения давления – барометр. Но в чем измеряют давление? Кроме паскаля существуют и другие внесистемные единицы измерения:
- атмосфера;
- миллиметр ртутного столба;
- миллиметр водяного столба;
- метр водяного столба;
- килограмм-сила.
В зависимости от контекста применяются разные внесистемные единицы.
Например, когда вы слушаете или читаете прогноз погоды, там и речи не идет о паскалях. Говорят о миллиметрах ртутного столба. Один миллиметр ртутного столба – это 133 Паскаля. Если вы ездите за рулем, то наверное знаете, что нормальное давление в колесах легкового автомобиля — около двух атмосфер.
Давление в шинах — это давление газа. Оно обусловлено столкновениями молекул воздуха с поверхностью шины
Атмосферное давление
Атмосфера – это газ, точнее, смесь газов, которая удерживается у Земли благодаря гравитации. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно, а ее высота – примерно 100 километров.
Как понимать выражение «атмосферное давление»? Над каждым квадратным метром земной поверхности находится стокилометровый столб газа. Конечно, воздух прозрачен и приятен, но у него есть масса, которая давит на поверхность земли. Это и есть атмосферное давление.
Нормальное атмосферное давление принято считать равным 101325 Па. Это давление на уровне мирового океана при температуре 0 градусов Цельсия. Такое же давление при этой же температуре оказывает на свое основание столб ртути высотой 766 миллиметров.
Чем больше высота над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление. Например, на вершине горы Джомолунгма оно составляет всего одну четвертую от нормального атмосферного давления.
Эверест. На его вершине давление в 4 раза меньше, чем у подножия
Артериальное давление
Еще один пример, где мы сталкиваемся с давлением в повседневной жизни – это измерение кровяного давления.
Артериальное давление – это кровяное давление, т.е. давление, которое кровь оказывает на стенки сосудов, в данном случае – артерий.
Если вы измерили артериальное давление и оно у вас 120 на 80, то все хорошо. Если 90 на 50 или 240 на 180, то вам уже точно будет неинтересно разбираться, в чем это давление измеряется и что это вообще значит.
Артериальное давление — давление крови на стенки артерий
Тем не менее, возникает вопрос: 120 на 80 чего именно? Паскалей, миллиметров ртутного столба, атмосфер или еще каких-то единиц измерения?
Артериальное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба. Оно определяет превышение давления жидкости в кровеносной системе над атмосферным давлением.
Кровь оказывает давление на сосуды и тем самым компенсирует действие атмосферного давления. Будь иначе, нас бы просто раздавило огромной массой воздуха над нами.
Но почему в измерении артериального давления две цифры?
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Дело в том, что кровь движется в сосудах не равномерно, а толчками. Первая цифра (120) называется систолическим давлением. Это давление на стенки сосудов в момент сокращения сердечной мышцы, его величина – наибольшая. Вторая цифра (80) определяет наименьшее значение и называется диастолическим давлением.
При измерении фиксируются значения систолического и диастолического давлений. Например, для здорового человека типичное значение артериального давления составляет 120 на 80 миллиметров ртутного столба. Это означает, что систолическое давление равно 120 мм. рт. ст., а диастолическое – 80 мм рт. ст. Разница между систолическим и диастолическим давлениями называется пульсовым давлением.
Физический вакуум
Вакуум – это отсутствие давления. Точнее, практически полное его отсутствие. Абсолютный вакуум является приближением, как идеальный газ в термодинамике и материальная точка в механике.
В зависимости от концентрации вещества различают низкий, средний и высокий вакуум. Наилучшее приближение к физическому вакууму – космическое пространство, в котором концентрация молекул и давление минимальны.
В космосе наблюдается почти полное отсутствие давления
Давление – основной термодинамический параметр состояния системы. Определить давление воздуха или другого газа можно не только по приборам, но и пользуясь уравнениями, формулами и законами термодинамики. А если у вас нет времени разбираться, студенческий сервис поможет решить любую задачу на определение давления.