Общие сведения о давлении газов и его измерении

Давление газов является одной из важнейших характеристик газообразного состояния вещества. В этой статье мы подробно рассмотрим физическую природу давления газов, факторы, влияющие на его величину, способы измерения и практическое применение знаний о давлении в различных областях.

Понятие давления в физике

Давление в физике - это величина, численно равная отношению силы, перпендикулярно действующей на какую-либо поверхность, к площади этой поверхности. Обозначается буквой Р. В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

Давление может создаваться в газах за счет хаотического движения молекул и их ударов о стенки сосуда. В жидкостях давление обусловлено силами взаимодействия между частицами. Для расчета давления используется формула:

P = F/S

где F - сила, действующая перпендикулярно к поверхности, Н; S - площадь поверхности, м2.

Причины возникновения давления в газах

Газ состоит из огромного числа молекул, движущихся хаотично и сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда. Эти столкновения и являются причиной возникновения давления газа. Хотя масса и размеры отдельной молекулы очень малы, благодаря огромной концентрации молекул их удары создают значимое давление.

Исходя из молекулярно-кинетической теории, давление идеального газа выражается формулой:

P = (NkT)/V

где N - число молекул газа, k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура, V - объем.

Экспериментальное подтверждение давления газов

Существует простой опыт, подтверждающий, что газ оказывает давление на стенки сосуда. Для этого берут воздушный шарик, завязывают его и помещают под колпак воздушного насоса. При откачивании воздуха из-под колпака давление снаружи шарика падает, и он начинает раздуваться под действием внутреннего давления воздуха в шарике.

Еще один опыт демонстрирует зависимость давления газа от его объема. При выдвигании поршня в закрытой трубке объем газа увеличивается, давление падает и резиновая мембрана на конце трубки вогнута внутрь. При вдвигании поршня все происходит наоборот.

Основные свойства давления газов

Основными свойствами давления газов являются:

• Давление одинаково по всем направлениям.
• При постоянной температуре давление убывает с увеличением объема.
• При постоянном объеме давление возрастает с повышением температуры.

Например, надутый воздушный шарик имеет форму шара благодаря одинаковому давлению воздуха внутри во все стороны. А в газовом баллоне при нагревании давление газа увеличивается, что может привести к разрыву баллона.

Практическое применение свойств давления газов

На практике свойства давления газов используются, например, при их сжатии для удобства хранения и транспортировки. Газы помещают в специальные баллоны, рассчитанные на высокое давление. Также по закону Бойля-Мариотта рассчитывают давление газа при известном объеме и температуре.

Например, требуется определить давление 2 моль кислорода в сосуде объемом 10 л при температуре 27°С. По формуле:

P = (nRT)/V

подставляя значения, получаем P = 5,3 атм.

Способы измерения давления газов

Для измерения давления газов используются специальные приборы - манометры. Они бывают жидкостные (со столбиком манометрической жидкости) и механические (со спиральной пружиной или мембраной). Выбор типа манометра зависит от диапазона измеряемого давления и требуемой точности.

Давление газовой смеси

Для газовых смесей давление рассчитывают по закону Дальтона как сумму парциальных давлений компонентов. Парциальное давление каждого газа пропорционально его молярной доле в смеси.

Например, для смеси азота и гелия с молярными долями 0,6 и 0,4 соответственно парциальное давление азота составит 0,6P, а гелия - 0,4P. Суммарное давление смеси равно P.

Измерение давления газов

При выборе манометра следует учитывать диапазон измеряемого давления и требуемую точность. При измерении нужно соблюдать правила безопасности и следовать инструкции.

Измерение выполняется в следующей последовательности:

1. Подсоединить манометр к источнику газа.
2. Медленно открыть вентиль и следить за показаниями.
3. Дождаться стабилизации показаний.
4. Зафиксировать результат измерения.
5. Закрыть вентиль и отсоединить манометр.

При этом следует избегать резких перепадов давления, ударов и перегрузок манометра.

Расчет давления газовых смесей

Рассмотрим более подробно, как можно рассчитать давление в газовой смеси, состоящей из нескольких компонентов. Воспользуемся законом Дальтона, согласно которому парциальное давление каждого газа в смеси равно произведению его молярной доли на общее давление смеси:

P1 = x1P

P2 = x2P

и т.д., где x1, x2 - молярные доли газов, P1, P2 - их парциальные давления, P - общее давление смеси.

Тогда, зная состав смеси и парциальные давления компонентов, можно легко рассчитать полное давление. Рассмотрим численный пример.

Влияние температуры на давление газа

Из теоретических положений молекулярно-кинетической теории следует, что повышение температуры газа в замкнутом объеме приводит к росту средней кинетической энергии молекул, а значит и к росту давления. Экспериментально это можно продемонстрировать следующим образом:

Неидеальные газы

До сих пор мы рассматривали поведение идеальных газов, для которых справедливы основные газовые законы. Но в действительности абсолютно идеальных газов не существует. Реальные газы в той или иной степени отклоняются от идеальных.

Причинами неидеальности являются:

• Взаимодействие молекул друг с другом
• Конечный размер молекул по сравнению с расстоянием между ними

Рассмотрим подробнее, как это влияет на свойства газов.

Техника безопасности при работе с газами под давлением

При любой работе с газами, находящимися под высоким давлением в баллонах, необходимо соблюдать технику безопасности:

• Проверять герметичность оборудования перед использованием
• Использовать редуктор для понижения давления газа из баллона
• Защищать баллоны от нагрева, ударов, падений

Эти simple меры позволят избежать несчастных случаев при работе с газами под высоким давлением.

Применение газов в промышленности

Благодаря своим уникальным свойствам, газы широко применяются в различных отраслях промышленности.