Rõhk on füüsikaline suurus, mis arvutatakse järgmiselt: jagage survejõud pindalaga, millele see jõud mõjub. Survejõu määrab kaal. Iga füüsiline objekt avaldab survet, kuna sellel on vähem alt mingi kaal. Artiklis käsitletakse üksikasjalikult gaaside rõhku. Näited illustreerivad, millest see sõltub ja kuidas see muutub.
Tahkete, vedelate ja gaasiliste ainete rõhumehhanismide erinevus
Mis vahe on vedelikel, tahketel ainetel ja gaasidel? Esimesel kahel on maht. Tahked kehad säilitavad oma kuju. Anumasse pandud gaas hõivab kogu selle ruumi. See on tingitud asjaolust, et gaasimolekulid praktiliselt ei suhtle üksteisega. Seetõttu erineb gaasirõhu mehhanism oluliselt vedelike ja tahkete ainete rõhu mehhanismist.
Paneme raskuse lauale. Gravitatsiooni mõjul liiguks kaal edasi läbi laua allapoole, kuid seda ei juhtu. Miks? Kuna tabeli molekulid lähenevad molekulidele alatesmille raskus on tehtud, väheneb nendevaheline kaugus nii palju, et raskuse osakeste ja laua vahele tekivad tõukejõud. Gaaside puhul on olukord hoopis teine.
Atmosfäärirõhk
Enne gaasiliste ainete rõhu käsitlemist tutvustame mõistet, ilma milleta pole edasised selgitused võimatud – atmosfäärirõhk. See on mõju, mida meid ümbritsev õhk (atmosfäär) avaldab. Õhk tundub meile ainult kaalutu, tegelikult on sellel ka kaal ja selle tõestamiseks viime läbi katse.
Kaalume õhku klaasnõus. See siseneb sinna läbi kaelas oleva kummitoru. Eemaldage õhk vaakumpumbaga. Kaaluge kolbi ilma õhuta, seejärel avage kraan ja kui õhk siseneb, lisatakse selle kaal kolvi kaalule.
Rõhk anumas
Mõtleme välja, kuidas gaasid laevade seintele mõjuvad. Gaasi molekulid praktiliselt ei suhtle üksteisega, kuid nad ei haju üksteisest. See tähendab, et nad jõuavad ikkagi anuma seinteni ja naasevad seejärel. Kui molekul tabab seina, mõjub selle löök anumale teatud jõuga. See jõud on lühiajaline.
Veel üks näide. Viskame palli papilehe pihta, pall põrkab ja papp kaldub veidi kõrvale. Asendame palli liivaga. Löögid on väikesed, me isegi ei kuule neid, kuid nende jõud koguneb. Leht lükatakse pidev alt tagasi.
Võtame nüüd väikseimad osakesed, näiteks õhuosakesed, mis meil kopsudes on. Puhume papi peale ja see kaldub kõrvale. Me sunnimeõhumolekulid tabavad pappi, mille tulemusena mõjub sellele jõud. Mis see jõud on? See on survejõud.
Teeme järelduse: gaasirõhk on põhjustatud gaasimolekulide mõjust anuma seintele. Seintele mõjuvad mikroskoopilised jõud liidetakse kokku ja saame nn survejõu. Jõu pindalaga jagamise tulemuseks on rõhk.
Tekib küsimus: miks, kui võtate papilehe pihku, siis see kõrvale ei kaldu? Lõppude lõpuks on see gaasis, see tähendab õhus. Sest õhumolekulide mõjud lehe ühele ja teisele poole tasakaalustavad üksteist. Kuidas kontrollida, kas õhumolekulid tabavad tõesti seina? Seda saab teha, eemaldades molekulide mõju ühel küljel, näiteks pumbates õhku välja.
Katse
Seal on spetsiaalne seade – vaakumpump. See on klaaspurk vaakumplaadil. Sellel on kummist tihend, et korgi ja plaadi vahele ei jääks tühimikku, nii et need sobiksid tihed alt üksteisega. Vaakumseadme külge on kinnitatud manomeeter, mis mõõdab õhurõhu erinevust väljas ja kapoti all. Segisti võimaldab ühendada pumba juurde viiva vooliku kapoti all oleva ruumiga.
Asetage kergelt täispuhutud õhupall korgi alla. Tänu sellele, et see on kergelt täis pumbatud, kompenseeritakse palli sees ja väljaspool seda avalduvate molekulide mõju. Katame palli korgiga, lülitame sisse vaakumpumba, avame kraani. Manomeetril näeme, et sise- ja välisõhu erinevus kasvab. Aga õhupall? Selle suurus suureneb. Rõhk, see tähendab molekulide mõjuväljaspool palli, muutub väiksemaks. Palli sees olevad õhuosakesed jäävad alles, rikutakse väljast ja seestpoolt tulevate löökide kompenseerimist. Palli maht kasvab tänu sellele, et väljastpoolt tuleva õhumolekulide survejõu võtab osaliselt üle kummi elastsusjõud.
Nüüd sulgege kraan, lülitage pump välja, avage kraan uuesti, eemaldage voolik, et õhk saaks korgi alla. Palli suurus hakkab kahanema. Kui rõhuvahe väljaspool ja korgi all on null, on see sama suur kui enne katse algust. See kogemus tõestab, et survet on oma silmaga näha, kui see ühelt poolt on suurem kui teisel, st kui gaas ühelt poolt eemaldatakse ja teiselt poolt jäetakse.
Järeldus on järgmine: rõhk on suurus, mille määravad molekulide mõjud, kuid mõjusid võib olla rohkem ja vähem. Mida rohkem lööke anuma seintele, seda suurem on rõhk. Lisaks, mida suurem on anuma seinu vastu põrkuvate molekulide kiirus, seda suurem on selle gaasi tekitatav rõhk.
Rõhu sõltuvus helitugevusest
Oletame, et meil on teatud silma mass, st teatud arv molekule. Katsete käigus, mida me kaalume, see kogus ei muutu. Gaas on kolviga silindris. Kolvi saab liigutada üles-alla. Silindri ülemine osa on avatud, sellele paneme elastse kummikile. Gaasiosakesed tabasid anuma seinu ja kilet. Kui õhurõhk sees ja väljas on sama, on kile tasane.
Kui liigutate kolvi üles,molekulide arv jääb samaks, kuid nendevaheline kaugus väheneb. Nad liiguvad sama kiirusega, nende mass ei muutu. Küll aga suureneb tabamuste arv, kuna molekul peab seinani jõudmiseks läbima lühema vahemaa. Selle tulemusena peaks rõhk suurenema ja kile peaks painduma väljapoole. Seetõttu suureneb ruumala vähenemisel gaasi rõhk, kuid eeldusel, et gaasi mass ja temperatuur jäävad muutumatuks.
Kui liigutate kolvi alla, suureneb molekulide vaheline kaugus, mis tähendab, et pikeneb ka aeg, mis kulub neil silindri seinteni ja kile jõudmiseks. Tabamused muutuvad harvemaks. Väljas oleva gaasi rõhk on suurem kui ballooni sees. Seetõttu paindub kile sissepoole. Järeldus: rõhk on suurus, mis sõltub mahust.
Rõhu sõltuvus temperatuurist
Oletame, et meil on anum, mille gaas on madalal temperatuuril, ja anum, milles on sama gaasi kogus kõrgel temperatuuril. Igal temperatuuril on gaasi rõhk tingitud molekulide mõjust. Gaasi molekulide arv mõlemas anumas on sama. Maht on sama, seega jääb molekulide vaheline kaugus samaks.
Kui temperatuur tõuseb, hakkavad osakesed kiiremini liikuma. Järelikult suureneb nende löökide arv ja tugevus laeva seintele.
Järgmine katse aitab kontrollida väite õigsust, et kui gaasi temperatuur tõuseb, siis selle rõhk tõuseb.
Võtapudel, mille kael on õhupalliga suletud. Asetage see kuuma veega anumasse. Näeme, et õhupall on täis pumbatud. Kui muudate anumas oleva vee külmaks ja asetate sinna pudeli, tühjeneb õhupall ja see tõmmatakse isegi sisse.
