6.1: Тиск і температура
- Page ID
- 73327
Коли ми нагріваємо об'єкт, ми прискорюємо складний розум випадковий рух його молекул. Одним із методів приборкання складності є закони збереження, оскільки вони говорять нам, що певні речі повинні залишатися постійними незалежно від того, який процес відбувається. Дійсно, закон збереження енергії також відомий як перший закон термодинаміки.
Але як говорилося у вступі до цієї глави, збереження енергії само по собі недостатньо потужне, щоб пояснити певні емпіричні факти про тепло. Другий спосіб обійти складність тепла - ігнорувати атомну природу тепла і зосередитися на таких кількостях, як температура і тиск, які говорять нам про властивості системи в цілому. Такий підхід називається макроскопічним на відміну від мікроскопічного методу атаки. Тиск і температура були досить добре зрозумілі в епоху Ньютона і Галілея, за сотні років до того, як існували будь-які тверді докази того, що атоми і молекули навіть існували.
На відміну від збережених величин, таких як маса, енергія, імпульс та момент імпульсу, ні тиск, ні температура не є адитивними. Дві чашки кави мають вдвічі більшу теплову енергію однієї чашки, але вони не мають подвійної температури. Так само хворобливий тиск на барабанні перетинки на дні басейну не впливає, якщо ви вставите або видалите перегородку між двома половинами басейну.
Ми обмежуємося обговоренням тиску в рідинях в спокої і в рівновазі. У фізиці термін «рідина» використовується для позначення або газу, або рідини. Важливу особливість рідини можна продемонструвати, порівнявши з кубиком желе на тарілці. Желе є твердим. Якщо струсити пластину з боку в бік, желе буде реагувати зсувом, тобто косими її сторонами, але воно буде прагнути до пружини назад у свою первісну форму. Тверда речовина може підтримувати сили зсуву, але рідина не може. Рідина не чинить опір зміні форми, якщо це не передбачає зміни об'єму.
5.1.1 Тиск
Якщо ви знаходитесь на дні басейну, ви не можете полегшити біль у вухах, повернувши голову. Сила води на барабанній перетинці завжди однакова і завжди перпендикулярна поверхні, де барабанна перетинка контактує з водою. Якщо вухо знаходиться на східній стороні голови, сила води знаходиться на захід. Якщо ви тримаєте вухо в одному місці, обертаючись так, щоб вухо було на півночі, сила все одно буде однаковою за величиною, і вона змінить свій напрямок так, що вона все ще перпендикулярна барабанній перетинці: південь. Це показує, що тиск не має напрямку в просторі, тобто воно є скалярним. Напрямок сили визначається орієнтацією поверхні, на яку діє тиск, а не самим тиском. Рідина, що протікає по поверхні, також може надавати сили тертя, які паралельні поверхні, але нинішнє обговорення обмежується рідинами в спокої.
Експерименти також показують, що сила рідини на поверхні пропорційна площі поверхні. Величезна сила води за греблею, наприклад, пропорційна великій площі поверхні греблі. (Дно греблі відчуває більшу частку своєї сили.)
Виходячи з цих експериментальних результатів, виявляється, що корисний спосіб визначення тиску полягає в наступному. Тиск рідини в даній точці визначається як\(F_\perp/A\), де\(A\) площа невеликої поверхні, вставленої в рідину в цій точці, і\(F_\perp\) є складовою сили рідини на поверхні, яка перпендикулярна поверхні. (У випадку рухомої рідини сили тертя рідини можуть діяти паралельно поверхні, але ми маємо справу лише зі стаціонарними рідинами, тому є лише\(F_\perp\).)
Це, по суті, як працює манометр. Причина того, що поверхня повинна бути маленькою, полягає в тому, що між однією її частиною і іншою частиною не буде суттєвої різниці в тиску. Одиниці тиску СІ\(\text{N}/\text{m}^2\), очевидно, і ця комбінація може бути скорочена як паскаль, 1 Па=1\(\text{N}/\text{m}^2\). Паскаль виявляється незручно невеликим агрегатом, тому автомобільні шини, наприклад, зазвичай мають тиск, відбиті на них в одиницях кілопаскалей.
a / A simple pressure gauge consists of a cylinder open at one end, with a piston and a spring inside. The depth to which the spring is depressed is a measure of the pressure. To determine the absolute pressure, the air needs to be pumped out of the interior of the gauge, so that there is no air pressure acting outward on the piston. In many practical gauges, the back of the piston is open to the atmosphere, so the pressure the gauge registers equals the pressure of the fluid minus the pressure of the atmosphere.
| Example 1: Pressure in U.S. units |
|---|
| In U.S. units, the unit of force is the pound, and the unit of distance is the inch. The unit of pressure is therefore pounds per square inch, or p.s.i. (Note that the pound is not a unit of mass.) |
| Example 2: Atmospheric pressure in U.S. and metric units |
|---|
| \(\triangleright\) A figure that many people in the U.S. remember is that atmospheric pressure is about 15 pounds per square inch. What is this in metric units? \(\triangleright\) \[\begin{align*} (\text{15 lb})/(\text{1 in}^2) &= \frac{68\ \text{N}}{(0.0254\ \text{m})^2}\\ &= 1.0\times10^5\ \text{N}/\text{m}^2 \\ &= 100\ \text{kPa} \end{align*}\] |