Меню

В жидкостях и газах передача давления во все стороны

Закон Паскаля для жидкостей и газов. Передача давления жидкостями и газами

Закон Паскаля для жидкостей и газов гласит, что давление, распространяясь в веществе, не меняет свою силу и передается во все стороны одинаково. Жидкие и газообразные субстанции ведут себя под давлением с некоторыми отличиями. Разница обусловлена особенностями поведения частиц и весом газов и жидкостей. В статье мы будем подробно рассматривать все это с помощью наглядных экспериментов.

Передается ли давление жидкости

Возьмем сосуд цилиндрической формы, который сверху герметично закрыт поршнем. Внутри находится жидкость, а на поршне стоит гиря. Она оказывает давление с силой, равной ее весу. Это давление передается жидкости. Ее молекулы, в отличие от частиц твердого тела, могут свободно перемещаться друг относительно друга. В их расположении нет строгого порядка, они разбросаны хаотически.

Знание об особенностях движения частиц разных веществ в дальнейшем поможет нам понять закон Паскаля для жидкостей и газов. Как же будут вести себя молекулы жидкости, если мы будем действовать на них с силой давления гири? Ответить на этот вопрос нам поможет опыт.

Как ведет себя жидкость под давлением

Моделью жидкости будут стеклянные шарики, а моделью сосуда — коробочка без крышки. Шарики, так же как и частицы жидкого вещества, свободно перемещаются в емкости. Возьмем любой предмет, по ширине совпадающий с шириной коробочки. Он будет имитировать поршень.

Надавим поршнем на жидкость. Как ведут себя ее молекулы? Мы видим, что они давят и на дно емкости, и на ее стенки. Толкают друг друга и стремятся выпасть из коробочки. Если бы это была настоящая жидкость, то она стремилась бы выплеснуться из сосуда. Позже, изучая закон Паскаля для жидкостей и газов, мы увидим это на опыте. Из-за того что молекулы перемещаются свободно, давление, оказываемое гирей, передается и в стороны, и вниз. А что будет, если заменить жидкость газом?

Как ведет себя воздух под давлением

Допустим, у нас есть цилиндр с поршнем, заполненный воздухом. Сверху на поршень кладем груз. Как передается давление, производимое на газ? Когда поршень смещается вниз, расстояние между молекулами в верхней части газа уменьшается, но это ненадолго. Скорость молекул газа составляет сотни метров в секунду. Расстояние между ними гораздо больше их размеров. Они движутся в случайных направлениях и сталкиваются между собой.

Когда поршень опускается, частицы просто запираются в меньшем объеме. В результате они чаще ударяются о стенки сосуда, и при уменьшении объема газа его давление увеличивается. Этот постулат нужно запомнить, чтобы потом легче было понять закон Паскаля для жидкостей и газов. Количество ударов в секунду на каждый квадратный сантиметр практически одно и то же. Это значит, что давление, которое производит поршень, передается во всех направлениях без изменения.

Передача давления в разных направлениях

Закон Паскаля, передачу давления жидкостями и газами нельзя понять, если не разобраться в одной странности: как получается, что мы давим вниз, а давление передается и вниз, и в стороны? А что если к цилиндру присоединить трубку, будет ли давление передаваться по ней вверх? Проведем опыт.

Возьмем два шприца, наполненных водой, и соединим их трубкой. Понаблюдаем, как будет передаваться давление жидкостью, которая находится в шприцах. Надавим на поршень одного шприца. Сила давления на поршень, а значит, и на жидкость, направлена вниз. Однако мы видим, что поршень второго шприца поднимается вверх. Получается, что давление, передаваясь через трубку, меняет направление силы. Интересно, что шприцы можно разместить не только вертикально, но и под прямым углом друг к другу. Результат будет тем же самым.

Читайте также:  Точное атмосферное давление в смоленске

Выльем воду, и в шприцах останется воздух. Повторим опыт. В ходе эксперимента мы увидим, что и газ передает давление во всех направлениях. Разница с жидкостью только одна. Если максимально опустить поршень одного шприца вниз и зафиксировать его пальцем, то при нажатии на поршень другого шприца газ будет сжиматься. Его объем уменьшится примерно два раза, а поршень будет норовить отскочить вверх. Этот газ, стремящийся увеличить свой объем, заставляет поршень двигаться вверх. С жидкостью было бы по-другому, ее бы не удалось так легко сжать.

Закон Паскаля

Передачу давления жидкостями и газами мы будем изучать с помощью опыта. Его придумал французский физик Блез Паскаль. Возьмем пустотелый шар, к которому присоединена стеклянная трубка. В разных частях шара (сверху, сбоку, снизу) есть маленькие отверстия. Внутри трубки размещен поршень. Это специальный прибор для демонстрации закона Паскаля.

Наполним шар через трубку водой, чтобы посмотреть, как она будет себя вести. Хотя сила тяжести действует на шар сверху вниз, струйки воды вытекают из отверстий шара под углом, в сторону и даже вверх. Конечно, они немного отклоняются от своего первоначального направления, потому что на них действует сила тяжести. Мы видим, что давление, производимое на воду, передается во всех направлениях.

Если вместо воды взять дым и проделать этот опыт, будем наблюдать передачу давления в газе воочию, ведь дым — это газ, окрашенный мелкими частицами сажи или смолы. Из-за того что он очень легкий, на него не будет так сильно действовать сила тяжести, он не будет так сильно, как струйки воды, отклоняться от своего первоначального положения. Можем сделать такой вывод: давление, оказываемое на жидкость или газ, передается, не меняя силу, в любую точку жидкости и газа во всех направлениях. Это и есть закон Паскаля для жидкостей и газов. Формула: P = F/S, где P — это давление. Оно равно отношению силы F к площади S, на которую она действует перпендикулярно.

Источник

Как передают давление жидкости, и газы и почему это происходит?

Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля.

В отличие от твёрдых тел отдельные слои и молекулы жидкости или газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Достаточно, например, слегка подуть на поверхность воды в стакане, чтобы вызвать движение воды. На реке или озере при малейшем дуновении ветра появляется рябь.

Подвижностью частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передаётся не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа.

Давление, производимое на жидкость или газ, передаётся в любую точку без изменений во всех направлениях.

Это утверждение называют законом Паскаля.

Почему воздух стремится заполнить вакуум?

Во-первых, не только воздух, но и любой газ. Все происходит потому, что газ состоит из частиц, между которыми не действуют никакие связи, т.е каждая сама по себе. Эти частицы очень быстро двигаются в разные стороны, траектория случайна. Соответственно, по-скольку их ничто не удерживает вместе, то они разлетаются во все стороны. Также, они сталкиваются и друг с другом, совершая упругие столкновения(с разлётом), что увеличивает расстояние между частицами, тоже расширение.

Во-вторых, не только в вакууме. С помощью диффузии газ тоже хорошо распространяется в другом газе. Если бы такого не было, аромата духов мы бы не чувствовали. Все происходит потому, что молекула газа , активно двигаясь, сталкивается с молекулами воздуха(воздух тоже газ, но это для простоты), вклинивается в пространство между ними, так-что к собственному движению, добавляется еще перенос самим воздухом.

Читайте также:  Почему может быть пониженное сердечное давление

Почему в космосе холодно, если вакуум не передает тепло и человек не должен замерзать?

Теплопроводность вакуума действительно равна нулю при этом, вакуум пропускает излучение полностью. Человек замерзает, когда его тепловые потери выше тепла, поступающего из окружающей среды. Космос же, вдали от звёзд, заполнен реликтовым излучением с температурой

2.7 K, что пренебрежимо мало, чтобы компенсировать тепловые потери.

Оценим, за какое время может замёрзнуть среднестатистический человек в космическом вакууме без защитного скафандра. Параметры человека: масса m = 70 кг, площадь поверхности S = 1,9 м². Из закона Стефана-Больцмана, любое тело с температурой Т (в Кельвинах) в термодинамическом равновесии излучает инфракрасное (тепловое) излучение с энергетической светимостью Q = εσT⁴, где σ = 5,67×10⁻⁸ Вт/(м²⋅К⁴), а ε − излучательная способность (ε = 0, если человек в исправном скафандре, и ε = 1, если он абсолютно «чёрное тело»). Возьмём ε = 0.9 (человек голый).

Посчитаем, за какое время, человек при начальной температуре Т₀= 36,6 °C (или 309,75 К), превратится в глыбу льда с температурой T₁= 0 °C (или 273,15 K) при условии, что он на 80% состоит из воды. Изменение тепловой энергии человека оценим из ΔQ₀ = cm(Т₀ — T₁) с дополнением (Lm) энергии, на случай полного оледенения. Время охлаждения человека от Т₀ до T₁ оценим из приближения t=ΔQ₀/ , где = S⋅[Q(Т₀) + Q(T₁)]/2.

Подставив нужные параметры в формулы, получим, что:

  • за 20 мин температура тела опустится до 32 °C (потеря сознания).
  • за 3 часа температура тела опустится до 0 °C.
  • за 10 часов человек превратится в глыбу льда с температурой 0 °C.
  • В космосе жутко холодно, без скафандра. Скафандр же отражает тепловое излучение, возвращая его человеку в необходимом для комфорта количестве.

P.S. Здесь не рассмотрены медицинские проблемы, связанные с кожным покровом человека в вакууме и соответственно с интенсивным испарением влаги с кожи. А это, в свою очередь, дополнительный источник охлаждения тела.

P.P.S. В комментариях рассерженно спрашивают: — «В расчетах учтены только потери, но человек и тепловая машина тоже

Учтём и это. Итак человек потребляет около 2,5 ккал в день, что соответствует 120 Вт мощности. Голое тело с температурой Т₀ = 36,6 °C, согласно закону С-Б выше, обязано излучать тепловое (инфракрасное) излучение с мощностью S⋅Q = 900 Вт. Если вы сидите дома голый на диване при температуре T = 25 °C, то от окружения (воздух и стены с потолком, ε = 1) ваше тело на халяву получает S⋅Q* = 850 Вт тепловой мощности. Таким образом остаток, около S(Q − Q*) = 50 Вт, легко компенсирует ваш организм мощностью 120 Вт. А теперь вы в космосе и голый (Ужас!). Окружающая среда имеет температуру реликтового излучения (−270,4 °C) и нечем компенсировать тепловые потери с поверхности тела (900 Вт), т.е. энергии на халяву нет. В этих условиях ваш организм, как тепловая машина (120 Вт), сломается через 20 мин (см. таблицу выше). Нечего голым в космос ходить.

Источник

Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля

Передача давления жидкостями и газами.

Мы уже знаем, что отдельные слои и мелкие частицы жидкости и газа свободно перемещаются относительно друг друга по всем направлениям, в отличие от твердых тел. Это можно подтвердить простым опытом: если подуть на поверхность воды в стакане, то вода придет в движение.

Из-за того, что частицы газа и жидкости подвижны, давление, оказываемое на них, передаётся не только в направлении действия оказываемой силы, а в каждую точку жидкости или газа.

Читайте также:  Компьютер измерение атмосферного давления

На рис.1а мы видим сосуд, в

котором находится газ. Частицы

газа равномерно распределяются

по всему сосуду. Сосуд сверху

закрыт поршнем, который может

перемещаться вниз и вверх.

Надавим на поршень так, чтобы

он немного погрузился в сосуд и

сдавил газ. В результате частицы, рис. 1

находящиеся под поршнем, уплот-

Двигаясь, частицы газа будут перемещаться по всем направлениям и в результате этого перемещения их расположение опять станет равномерным, но уже более плотным, чем раньше (рис.1в). В результате давление газа всюду увеличится. Из этого можно сделать вывод, что дополнительное давление передается всем частицам газа. Если, например, давление на газ около самого поршня увеличится на 1 Па, то во всех точках внутри газа давление станет больше на столько же, т. е. на 1 Па. Давление газа и на поршень, и на стенки сосуда, и на дно сосуда также увеличится на 1 Па.

В 1648 году французский ученый Блез Паскаль опытным путём подтвердил то, что давление жидкости зависит от высоты её столба. Он вставил в закрытую бочку, наполненную водой, трубку диаметром 1см2, длиной 5 м и, поднявшись на балкон 2-го

этажа дома, вылил в эту трубку кружку воды.

Когда вода в ней поднялась до высоты

давление воды в ней увеличилось настолько, что в

крепкой дубовой бочке образовались щели, через

которые потекла вода.

Закон Паскаля гласит:

давление, производимое на жидкость или газ,

передаётся в любую точку объёма жидкости и

газа без изменений во всех направлениях.

Закон объясняется подвижностью частиц жидкос-

тей и газов во всех направлениях.

Нам нет необходимости повторять опыт

Паскаля с бочкой, но мы можем воспользоваться

трубкой Паскаля для подтверждения истинности

На рис. изображён полый шар, имеющий в различных местах узкие отверстия. К шару присоединена трубка, в которую вставлен поршень. Если наполнить шар водой и опустить вниз поршень, то из всех отверстий шара

польется вода. Поршень давит на поверхность воды в трубке. Частицы воды, находящиеся под поршнем, уплотняясь, передают давление поршня другим, более глубоким слоям.

Из опыта следует, что давление поршня передается в каждую точку жидкости, заполняющей шар и в результате давления часть воды выталкивается

из шара в виде струек, вытекающих

из отверстий во всех направлениях.

Если шар заполнить дымом

(рис.2б) и вдвигать поршень в трубку, то из всех

отверстий шара будут выходить

струйки дыма. Этот опыт также

подтверждает, что газы, как и

жидкости, передают производимое

на них давление во все стороны без а) б)

Закон Паскаля положен в основу устройства многих механизмов.

Пневматическая система водоснабжения.

Насос из водоема закачивает в бак воду, сжимающую воздушную подушку, в результате сжимаемые частицы воздуха уплотняются и, следовательно, давление увеличивается. При достижении давления воздуха 400000 Н/м2 насос отключается и прекращает закачивать воду в бак.

По Закону Паскаля давление, производимое на жидкость (или газ) передаётся в любую точку объёма жидкости (или газа) без изменений во всех направлениях. Поэтому, при открытии крана вода, под действием давления воздуха, по магистральному трубопроводу поднимается в дома.

Этот же принцип положен в

основу работы опрыскивателя.

В опрыскивателях, используемых для

борьбы с сельскохозяйственными

вредителями, давление нагнетаемого

Жидкость распыляется при открытом

Гидравлические подъемники

Это упрощенная схема гидравлического подъемника, который устанавливается на самосвалах.

Назначение подвижного цилиндра — увеличение высоты подъема поршня. Для опускания груза открывают кран.

Источник

Adblock
detector