Тиск
- Page ID
- 24514
Навички для розвитку
- Опишіть значення (і застосування) вимірювання тиску
Що таке тиск?
Тиск визначається як сила/площа. Наприклад, тиск снігу на дах буде вагою снігу, поділеною на площу даху. У хімії зазвичай тиск надходить від газів. Коли ви підриваєте повітряну кулю, ви кладете всередину газ. Молекули газу натикаються один в одного і в стінки балона. Хоча сила від кожної молекули, що натикається на повітряну кулю, дуже мала, коли ви вкладаєте достатню кількість повітря, всі зіткнення складаються і змушують повітряну кулю розтягуватися і збільшуватися.
Відсутність тиску називається вакуумом. Сотні років люди думали, що пилососи неможливі і неприродні: «природа не дає вакууму». Це насправді не так. Шахтарі помітили, що вони можуть перекачувати воду лише близько 10 м вгору по трубі; вакуум у верхній частині насоса був недостатньо сильним, щоб підняти воду вище. У 1641 році Берті спробував експеримент. Він побудував поруч зі своїм будинком гігантську трубу заввишки близько 13 м і наповнив її водою. Верх трубки був герметизований. Дно було у великому відрі. Потім він зробив отвір на дні, щоб вода могла витікати з трубки у відро. Вода стікала вниз, поки товща води не була висотою близько 10,3 м. Потім він припинився.
Торрічеллі, пізніше супутник Галілея, експериментував далі. Він помітив, що стовп ртуті (схожий на стовп води в експерименті Берті) буде висотою 760 мм. Вода має щільність 1 г/мл, тоді як ртуть має щільність 13,5 г/мл. 10,3 м/13,5 = 763 мм. З цього він зробив висновок, що стовп рідини утримується не тягою з вакууму зверху, а поштовхом від ваги повітря (атмосфери) на відкриту поверхню ковша. Вага ртутного стовпа, водяного стовпа і повітряного стовпа були однаковими. Традиційно тиск вимірювали за допомогою барометра, який спочатку представляв собою просто трубку зі стовпом рідини. Чим більше висота рідини, тим вище зовнішній тиск. Для вимірювання тиску можна використовувати барометри, які можна використовувати для прогнозування погоди. Часто низький тиск означає, що йде дощ або буря.
Як ми вимірюємо тиск?
Ми можемо використовувати стовп рідини, або інші методи. Один передбачає невелику гнучку ємність з вакуумом всередині неї, що запобігає руйнуванню пружинами. Він розширюється або стискається в залежності від тиску, і це можна виміряти. Зараз є і ще менші, більш прості електричні барометри.
Які одиниці ми повинні використовувати?
Існує божевільна кількість одиниць для тиску! Традиційною одиницею є торр або мм рт.ст. Це якраз і означає висоту стовпчика ртутного стовпа. Атмосферний тиск становить близько 760 торр або мм рт.ст., про що говорилося вище. Ви також можете побачити ммH 2 O, який використовує ту ж концепцію, але в цьому випадку, оскільки вода менш щільна, ніж ртуть, атмосферний тиск становить близько 10,3 мГн 2 О.
Існують і деякі більш сучасні агрегати. У СІ використовуємо Паскаль: 1 Па = Н/м 2. Часто зручніше використовувати брусок: 1 бар = 10 5 Па. Ще одна одиниця, яку ви, можливо, використовували раніше, - це атмосфера: 1 атм = 1.01325 бар = 760 торр. Атм близький до середнього атмосферного тиску.
Коли ви використовуєте одиниці тиску, оскільки їх так багато, вам слід бути особливо обережними, щоб перевірити свої одиниці та переконатися, що вони скасовують належним чином (див. Аналіз розмірів для отримання додаткової інформації). Якщо ви використовуєте одиниці СІ в решті вашого розрахунку (наприклад, сили в N, маса в кг тощо), ваш тиск, ймовірно, вийде в Па.
Як ми можемо контролювати тиск?
Часто ми хочемо контролювати тиск, роблячи їх або вище, або нижче атмосферного. Наприклад, у хімічній промисловості багато реакцій протікають при високих тисках. У лабораторії ми можемо використовувати низький тиск, щоб витягнути рідину через фільтр або випаровувати розчинник. Ми також можемо використовувати вакуумні методи для «безповітряної» хімії, якщо ми хочемо вивчити молекули, які реагують з водою або повітрям, видаливши все повітря з наших контейнерів перед додаванням хімічних речовин. Багато важливих приладів, що використовуються у фізиці та хімії, як електронні мікроскопи, працюють лише під вакуумом.
Щоб зробити вакуум, ми зазвичай використовуємо насос для видалення повітря. Ми не можемо створити ідеальний вакуум, який не містить молекул газу, але ми можемо зменшити кількість молекул до досить низького рівня. Щоб отримати надвисокий вакуум або навіть просто високий вакуум, ми можемо використовувати 2 або більше різних типів насосів. Деякі насоси працюють, багаторазово розширюючи об'єм, так що газ розширюється в більший простір, а потім відокремлюється від області, яка евакуюється. (Див. деякі зображення у Вікіпедії.) Або ми могли б поглинати молекули газу на поверхню, щоб видалити їх евакуйований простір. Звичайні пилососи, що використовуються в будинках, можуть становити 0,2 атм, тоді як надвисокий вакуум в лабораторії може становити 100 нПа.
Щоб зробити дуже високий тиск, вчені іноді використовують алмазні ковадла. Наприклад, геохіміки, які вивчають, як утворюються породи, можуть покласти трохи води та мінерального порошку між кінчиками двох маленьких загострених діамантів (так само, як ви можете бачити в обручці). Потім вони штовхають алмази разом, і сила концентрується лише на крихітних кінчиках алмазів, тому тиск величезний, як 3 мільйони атм. А оскільки діаманти чіткі, вчені можуть спостерігати за тим, що відбувається прямо через алмаз!
Малюнок 3: Поперечний переріз клітини діамантового ковадла. Включені наступні речі: Два діаманти, між якими створюється тиск. Зразок. Рубін, який зазвичай використовується як індикатор тиску. Прокладка, яка ущільнює камеру зразка Корпус за допомогою гвинтів. Затягування гвинтів зсуває кожухи і алмаз ближче один до одного і створює тиск. Підкладкова пластина, яка утримує алмаз на місці. Електромагнітні промені, які проходять через камеру зразка для проведення вимірювань. (КС-СА-БАЙ-3.0; Тобіас 1984)