Onde quer que o gás esteja: em um balão, pneu de carro ou cilindro de metal, ele preenche todo o volume do recipiente em que está localizado.
A pressão do gás surge por uma razão completamente diferente da pressão sólida. É formado como resultado de colisões de moléculas com as paredes do vaso.
Pressão do gás nas paredes da embarcação
Movendo-se caoticamente no espaço, as moléculas de gás colidem entre si e com as paredes do recipiente em que estão localizadas. A força de impacto de uma molécula é pequena. Mas como existem muitas moléculas e elas colidem com alta frequência, então, agindo juntas nas paredes do vaso, elas criam uma pressão significativa. Se um corpo sólido for colocado em um gás, ele também estará sujeito a impactos de moléculas de gás.
Vamos fazer uma experiência simples. Coloque um balão amarrado, não completamente cheio de ar, sob a campânula da bomba de ar. Como contém pouco ar, a bola tem um formato irregular. Quando começarmos a bombear o ar debaixo do sino, a bola começará a inflar. Depois de algum tempo, ele assumirá o formato de uma bola normal.
O que aconteceu com a nossa bola? Afinal, estava amarrado, portanto, a quantidade de ar nele contido permaneceu a mesma.
Tudo é explicado de forma bastante simples. Durante o movimento, as moléculas de gás colidem com a casca da bola por fora e por dentro dela. Se o ar for bombeado para fora do sino, haverá menos moléculas. A densidade diminui e, portanto, a frequência dos impactos das moléculas na camada externa também diminui. Consequentemente, a pressão fora da casca cai. E como o número de moléculas dentro da casca permanece o mesmo, a pressão interna excede a externa. O gás pressiona de dentro para fora da casca. E por isso vai incha gradativamente e ganha o formato de uma bola.
Lei de Pascal para gases
As moléculas de gás são muito móveis. Graças a isso, eles transmitem pressão não apenas na direção da força que causa essa pressão, mas também uniformemente em todas as direções. A lei sobre transferência de pressão foi formulada pelo cientista francês Blaise Pascal: “ A pressão exercida sobre um gás ou líquido é transmitida inalterada a qualquer ponto em todas as direções" Esta lei é chamada de lei básica da hidrostática - a ciência dos líquidos e gases em estado de equilíbrio.
A lei de Pascal é confirmada pela experiência com um dispositivo chamado A bola de Pascal . Este dispositivo é uma bola de material sólido com pequenos orifícios, conectada a um cilindro ao longo do qual se move um pistão. A bola se enche de fumaça. Quando comprimida pelo pistão, a fumaça é expelida dos orifícios da bola em jatos iguais.
A pressão do gás é calculada usando a fórmula:
Onde e lin - energia cinética média do movimento translacional das moléculas de gás;
n - concentração de moléculas
Pressão parcial. Lei de Dalton
Na prática, na maioria das vezes não encontramos gases puros, mas suas misturas. Respiramos ar, que é uma mistura de gases. Os gases de escape dos automóveis também são uma mistura. O dióxido de carbono puro não é usado na soldagem há muito tempo. Misturas de gases também são usadas.
Uma mistura de gases é uma mistura de gases que não entram em reações químicas entre si.
A pressão de um componente individual de uma mistura gasosa é chamada pressão parcial .
Se assumirmos que todos os gases da mistura são gases ideais, então a pressão da mistura é determinada pela lei de Dalton: “A pressão de uma mistura de gases ideais que não interagem quimicamente é igual à soma das pressões parciais. ”
Seu valor é determinado pela fórmula:
Cada gás na mistura cria uma pressão parcial. Sua temperatura é igual à temperatura da mistura.
A pressão de um gás pode ser alterada alterando sua densidade. Quanto mais gás for bombeado para um recipiente de metal, mais moléculas ele atingirá as paredes e maior será sua pressão. Assim, ao bombear o gás, nós o rarefamos e a pressão diminui.
Mas a pressão de um gás também pode ser alterada alterando seu volume ou temperatura, ou seja, comprimindo o gás. A compressão é realizada aplicando força a um corpo gasoso. Como resultado deste efeito, o volume que ocupa diminui, a pressão e a temperatura aumentam.
O gás é comprimido no cilindro do motor à medida que o pistão se move. Na produção, a alta pressão do gás é criada ao comprimi-lo com a ajuda de dispositivos complexos - compressores, que são capazes de criar pressões de até vários milhares de atmosferas.
Ao derivar a equação de estado de um gás ideal, consideraremos as moléculas como pequenas bolas sólidas encerradas em uma caixa com volume V(Fig. 8.2) . A suposição de esferas duras significa que ocorrem colisões elásticas entre moléculas. Consideremos primeiro uma dessas moléculas refletida na parede esquerda da caixa. A força média que atua na parede ao longo do tempo é igual a
Como resultado da colisão, o momento muda na quantidade
Desde o tempo entre as colisões de uma molécula com esta parede
então uma força média atua na parede do lado de uma molécula
Arroz. 8.2 Partícula em um recipiente com volume lS após reflexão na parede esquerda
Potência total com a qual tudo N moléculas na caixa atuam na parede, dada pela expressão
onde é a velocidade quadrada média calculada sobre todas as partículas.
Este valor é geralmente chamado de velocidade quadrática média na direção do eixo X. Dividindo ambos os lados desta proporção pela área da parede S, recebemos a pressão
Nós iremos substituir S eu por volume V; Então
Disto fica claro que, para uma determinada quantidade de gás, o produto pV permanece constante desde que a energia cinética das partículas permaneça inalterada. O lado direito da fórmula (8.16) pode ser escrito por meio de . Realmente,
Como as moléculas são refletidas exatamente da mesma forma em todas as seis faces, então
Vamos agora substituir a quantidade em (8.16):
Definiremos a temperatura absoluta como um valor diretamente proporcional à energia cinética média das moléculas no recipiente:
(definição de temperatura), onde é a energia cinética média por partícula.
Fator de proporcionalidade (2 / 3k) é uma constante. Valor constante k (Constante de Boltzmann) depende da escolha da escala de temperatura. Um dos métodos para a escolha de uma escala baseia-se no fato de que o intervalo de temperatura entre os pontos de ebulição e congelamento da água à pressão normal é considerado igual a 100 graus (=100 PARA). Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, valor k determinado medindo as propriedades da água. Descobriu-se experimentalmente que
(Constante de Boltzmann). Se eliminarmos a quantidade de (8.17) usando (8.18), obtemos
(equação de estado dos gases ideais).
No entanto, ao aplicar as equações da mecânica newtoniana a moléculas individuais, ou seja, ao usá-las no nível microscópico, introduzimos uma importante relação entre quantidades macroscópicas p, V E T(cf.
Postado em ref.rf
(8.20) com (8.7)).
Levando em consideração a igualdade (8.20), a equação de estado de um gás ideal pode ser reescrita na forma
Onde né a concentração de moléculas. Como para um gás monoatômico a energia cinética média coincide com a energia média do movimento translacional, representamos a equação (8.21) como
O produto fornece a energia total do movimento translacional n moléculas. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, a pressão é igual a dois terços da energia do movimento de translação das moléculas contidas em uma unidade de volume de gás.
Já dissemos (§ 220) que os gases sempre preenchem completamente o volume limitado por paredes impenetráveis ao gás. Assim, por exemplo, um cilindro de aço usado na tecnologia de armazenamento de gases comprimidos (Fig. 375), ou a câmara de ar de um pneu de carro é completa e quase uniformemente preenchido com gás.
Arroz. 375. Cilindro de aço para armazenamento de gases altamente comprimidos
Tentando se expandir, o gás pressiona as paredes do cilindro, as câmaras dos pneus ou qualquer outro corpo, sólido ou líquido, com o qual entre em contato. Se não levarmos em conta o efeito do campo gravitacional da Terra, que com os tamanhos usuais de vasos altera apenas a pressão de forma insignificante, então no equilíbrio a pressão do gás no vaso parece-nos completamente uniforme. Esta observação se aplica ao macrocosmo. Se imaginarmos o que acontece no microcosmo das moléculas que compõem o gás no recipiente, então não se pode falar em distribuição uniforme de pressão. Em alguns locais da superfície das paredes, as moléculas de gás atingem-nas, enquanto em outros locais não há impactos; esse quadro muda o tempo todo de forma desordenada.
Suponhamos, para simplificar, que todas as moléculas, antes de atingirem a parede, voam com a mesma velocidade direcionada normal à parede. Também assumiremos que o impacto é absolutamente elástico. Sob estas condições, a velocidade da molécula no momento do impacto mudará de direção para a direção oposta, permanecendo inalterada em magnitude. Portanto, a velocidade da molécula após o impacto será igual a . Conseqüentemente, o momento da molécula antes do impacto é igual a , e após o impacto é igual a (- a massa da molécula). Subtraindo o seu valor inicial do valor final do momento, encontramos o incremento no momento da molécula transmitido pela parede. É igual. De acordo com a terceira lei de Newton, a parede recebe um impulso igual a .
Se houver impactos por unidade de tempo por unidade de área da parede, então durante o tempo as moléculas atingem uma seção da superfície da parede. As moléculas transmitem à área no tempo um impulso total igual em módulo a. Em virtude da segunda lei de Newton, esse impulso é igual ao produto da força que atua na área e no tempo. Por isso,
Onde .
Dividindo a força pela área da seção da parede, obtemos a pressão do gás na parede:
Não é difícil entender que o número de golpes por unidade de tempo depende da velocidade das moléculas, porque quanto mais rápido elas voam, mais frequentemente atingem a parede, e do número de moléculas por unidade de volume, porque quanto mais moléculas , maior será o número de golpes que eles desferem. Portanto, podemos assumir que proporcional a e, ou seja, proporcional a
Para calcular a pressão do gás utilizando a teoria molecular, devemos conhecer as seguintes características do microcosmo das moléculas: massa, velocidade e número de moléculas por unidade de volume. Para encontrar essas microcaracterísticas das moléculas, devemos estabelecer de quais características do macrocosmo depende a pressão do gás, ou seja, estabelecer experimentalmente as leis da pressão do gás. Ao comparar essas leis experimentais com as leis calculadas pela teoria molecular, seremos capazes de determinar as características do microcosmo, por exemplo, a velocidade das moléculas de gás.
Então, vamos estabelecer de que depende a pressão do gás?
Em primeiro lugar, a pressão depende do grau de compressão do gás, ou seja, de quantas moléculas de gás existem num determinado volume. Por exemplo, bombeando cada vez mais ar para dentro de um pneu de carro ou comprimindo (reduzindo o volume ) câmara fechada, forçamos o gás a pressionar cada vez mais as paredes da câmara.
Em segundo lugar, a pressão depende da temperatura do gás. Sabe-se, por exemplo, que uma bola fica mais elástica se for segurada perto de um forno aquecido.
Normalmente, uma mudança na pressão é causada pelos dois motivos ao mesmo tempo: uma mudança no volume e uma mudança na temperatura. Mas é possível realizar o processo de tal forma que quando o volume muda, a temperatura muda de forma insignificante, ou quando a temperatura muda, o volume permanece praticamente inalterado. Trataremos primeiro destes casos, tendo feito primeiro a seguinte observação. Consideraremos o gás em estado de equilíbrio. Isso significa que o equilíbrio mecânico e térmico foi estabelecido no gás.
Equilíbrio mecânico significa que não há movimento de partes individuais do gás. Para isso, é necessário que a pressão do gás seja a mesma em todas as suas partes, se desprezarmos a ligeira diferença de pressão nas camadas superior e inferior do gás que ocorre sob a influência da gravidade.
Equilíbrio térmico significa que não há transferência de calor de uma parte do gás para outra. Para isso, é necessário que a temperatura em todo o volume do gás seja a mesma.
Aula: 7
Apresentação para a aula
Para trás para a frente
Atenção! As visualizações de slides são apenas para fins informativos e podem não representar todos os recursos da apresentação. Se você estiver interessado neste trabalho, baixe a versão completa.
Livro didático"Física. 7 ª série." A.V. Peryshkin - M.: Abetarda, 2011
Tipo de aula: combinados com base em atividades de pesquisa.
Metas:
- estabelecer a razão da existência de pressão nos gases do ponto de vista da estrutura molecular da substância;
- para descobrir:
- de que depende a pressão do gás?
- como você pode mudar isso.
Tarefas:
- desenvolver conhecimentos sobre a pressão do gás e a natureza da pressão nas paredes do vaso onde o gás está localizado;
- desenvolver a capacidade de explicar a pressão do gás com base na doutrina do movimento das moléculas, na dependência da pressão do volume a massa e temperatura constantes, bem como quando a temperatura muda;
- desenvolver conhecimentos e habilidades educacionais gerais: observar, tirar conclusões;
- contribuir para despertar o interesse pelo assunto, desenvolvendo a atenção, o pensamento científico e lógico nos alunos.
Equipamentos e materiais para a aula: computador, tela, projetor multimídia, apresentação para a aula, frasco com rolha, tripé, lampião a álcool, seringa, balão, garrafa plástica com rolha.
Plano de aula:
- Verificando o dever de casa.
- Atualizando conhecimentos.
- Explicação do novo material.
- Reforço do material abordado na aula.
- Resumo da lição. Trabalho de casa.
DURANTE AS AULAS
Prefiro coisas que podem ser vistas, ouvidas e aprendidas. (Heráclito)(Slide 2)
- Este é o lema da nossa lição.
– Nas lições anteriores, aprendemos sobre a pressão dos sólidos e de quais quantidades físicas depende a pressão.
1. Repetição do material abordado
1. O que é pressão?
2. De que depende a pressão de um corpo sólido?
3. Como a pressão depende da força aplicada perpendicularmente ao suporte? Qual é a natureza desta dependência?
4. Como a pressão depende da área de apoio? Qual é a natureza desta dependência?
5. Qual a razão da pressão de um corpo sólido sobre o suporte?
Tarefa qualitativa.
As forças que atuam no apoio e na pressão são iguais em ambos os casos? Por que?
Verificação de conhecimento. Teste (verificação e verificação mútua)
Teste
1. Uma grandeza física com dimensão pascal (Pa) é chamada:
a) força; b) massa; c) pressão; d) densidade.
2. A força de pressão foi aumentada em 2 vezes. Como a pressão mudará?
a) diminuirá 2 vezes; b) permanecerá o mesmo; c) aumentará 4 vezes; d) aumentará 2 vezes.
4. Que pressão exerce sobre o chão um tapete de 200 N e área de 4 m2?
a) 50 Pa; b) 5 Pa; c) 800Pa; d) 80 Pa.
5. Dois corpos de peso igual são colocados sobre uma mesa. Eles produzem a mesma pressão na mesa?
2. Atualizando conhecimentos(na forma de uma conversa)
– Por que os balões e as bolhas de sabão são redondos?
Os alunos inflam balões.
– Com o que enchemos os balões? (Pelo ar) Com o que mais você pode encher os balões? (Gás)
- Sugiro apertar as bolas. O que impede você de apertar as bolas? O que atua na casca da bola?
– Pegue garrafas plásticas, tampe-as e tente apertá-las.
– Sobre o que falaremos na aula?
– Tópico da aula: Pressão do gás
3. Explicação do novo material
Os gases, ao contrário dos sólidos e líquidos, preenchem todo o recipiente em que estão localizados.
Tentando se expandir, o gás exerce pressão nas paredes, fundo e tampa de qualquer corpo com o qual entre em contato.
(Slide 9) Fotos de cilindros de aço contendo gás; câmaras de ar para pneus de automóveis; bola
A pressão do gás se deve a outras razões além da pressão de um corpo sólido sobre o suporte.
Conclusão: A pressão do gás nas paredes do recipiente (e no corpo colocado no gás) é causada pelos impactos das moléculas do gás.
Por exemplo, o número de impactos de moléculas de ar em uma sala em uma superfície com área de 1 cm 2 em 1 s é expresso como um número de vinte e três dígitos. Embora a força de impacto de uma molécula individual seja pequena, o efeito de todas as moléculas nas paredes do recipiente é significativo e cria pressão de gás.
Os alunos trabalham de forma independente com o livro didático. Leia a experiência com uma bola de borracha sob um sino. Como explicar esta experiência? (pág.83 fig. 91)
Os alunos explicam a experiência.
(Slide 11) Assista a um videoclipe explicando a experiência para reforçar o material.
(Slide 12) Um minuto de descanso. Exercício para os olhos.
“A sensação de mistério é a experiência mais bela que temos à nossa disposição. É esse sentimento que está no berço da verdadeira ciência.”
Albert Einstein
(Slide 14) OS GASES TÊM VOLUME? É FÁCIL ALTERAR O VOLUME DOS GASES? OS GASES OCUPAM TODO O VOLUME FORNECIDO A ELES? PORQUE PORQUE? OS GASES TÊM VOLUME CONSTANTE E FORMA PRÓPRIA? POR QUE?
arroz. 92 página 84
(Slide 15) Os alunos fizeram modelos de seringas. Realizando o experimento.
Os alunos concluem: quando o volume de um gás diminui, sua pressão aumenta, e quando o volume aumenta, a pressão diminui, desde que a massa e a temperatura do gás permaneçam inalteradas.
(Slide 16) Experimente um frasco
– Como a pressão de um gás mudará se ele for aquecido a um volume constante?
Quando aquecido, a pressão do gás no frasco aumentará gradualmente até que a rolha voe para fora do frasco.
Os alunos concluem: quanto maior a temperatura do gás, maior a temperatura do gás em um recipiente fechado, maior a pressão do gás, desde que a massa e o volume do gás não mudem. (Slide 17)
Os gases contidos em um recipiente podem ser comprimidos ou comprimidos, reduzindo assim seu volume. O gás comprimido é distribuído uniformemente em todas as direções. Quanto mais você comprimir o gás, maior será sua pressão.
Os alunos concluem: quanto mais a pressão do gás aumenta, mais frequentemente e com mais força as moléculas atingem as paredes do recipiente.
4. Reforço do material abordado na aula.
(Slide 18) Pense nisso
– O que acontece com as moléculas do gás quando o volume do recipiente onde o gás está localizado diminui?
- moléculas começam a se mover mais rápido
- moléculas começam a se mover mais lentamente
- a distância média entre as moléculas de gás diminui,
- a distância média entre as moléculas de gás aumenta.
(Slide 19) Compare suas respostas
- O que causa a pressão do gás?
- Por que a pressão de um gás aumenta quando ele é comprimido e diminui quando ele se expande?
- Quando a pressão do gás é maior: frio ou quente? Por que?
Resposta 1. A pressão do gás é causada por impactos de moléculas de gás nas paredes do recipiente ou em um corpo colocado no gás
Resposta 2. Quando comprimido, a densidade do gás aumenta, razão pela qual aumenta o número de impactos das moléculas nas paredes do vaso. Consequentemente, a pressão também aumenta. Ao se expandir, a densidade do gás diminui, o que acarreta uma diminuição no número de impactos das moléculas nas paredes do vaso. Portanto, a pressão do gás diminui
Resposta 3. A pressão do gás é maior quando está quente. Isso se deve ao fato de que as moléculas do gás começam a se mover mais rapidamente à medida que a temperatura aumenta, fazendo com que seus impactos se tornem mais frequentes e mais fortes.
(Slide 20) Tarefas qualitativas. (Coleção de problemas de física V.I. Lukashik, E.V. Ivanova, Moscou “Iluminismo” 2007 p. 64)
1. Por que fica cada vez mais difícil mover a alavanca da bomba cada vez que você bombeia ar em um pneu de carro?
2. As massas do mesmo gás localizadas em diferentes recipientes fechados à mesma temperatura são iguais. Qual vaso tem a maior pressão de gás? Ao menos? Explique sua resposta
3. Explique o amassado na bola
Bola à temperatura ambiente
Bola na neve em um dia gelado
Você pode resolver enigmas para sempre.
O universo é infinito.
Obrigado a todos nós pela lição,
E o principal é que será utilizado para uso futuro!
Reflexão.
5. Resumo da lição
Trabalho de casa:§35
DEFINIÇÃO
Pressão em um recipiente com gás é criado pela colisão de moléculas contra sua parede.
Devido ao movimento térmico, as partículas de gás ocasionalmente atingem as paredes do vaso (Fig. 1a). A cada impacto, as moléculas atuam na parede do recipiente com alguma força. Somando-se umas às outras, as forças de impacto das partículas individuais formam uma certa força de pressão que atua constantemente na parede do vaso. Quando as moléculas de gás colidem com as paredes de um vaso, elas interagem com elas de acordo com as leis da mecânica como corpos elásticos e transferem seus impulsos para as paredes do vaso (Fig. 1, b).
Figura 1. Pressão do gás na parede de um vaso: a) o aparecimento de pressão devido a impactos de partículas em movimento caótico na parede; b) força de pressão como resultado do impacto elástico das partículas.
Na prática, na maioria das vezes não se trata de gás puro, mas de uma mistura de gases. Por exemplo, o ar atmosférico é uma mistura de nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, hidrogênio e outros gases. Cada um dos gases incluídos na mistura contribui para a pressão total que a mistura de gases exerce nas paredes do vaso.
Válido para uma mistura de gases Lei de Dalton:
a pressão da mistura gasosa é igual à soma das pressões parciais de cada componente da mistura:
DEFINIÇÃO
Pressão parcial- a pressão que o gás incluído na mistura gasosa ocuparia se ocupasse sozinho um volume igual ao volume da mistura a uma determinada temperatura (Fig. 2).
Figura 2. Lei de Dalton para uma mistura de gases
Do ponto de vista da teoria cinética molecular, a lei de Dalton é satisfeita porque a interação entre as moléculas de um gás ideal é insignificante. Portanto, cada gás exerce pressão na parede do vaso, como se não existissem outros gases no vaso.
Exemplos de resolução de problemas
EXEMPLO 1
EXEMPLO 2
| Exercício | Um recipiente fechado contém uma mistura de 1 mol de oxigênio e 2 moles de hidrogênio. Compare as pressões parciais de ambos os gases (pressão de oxigênio) e (pressão de hidrogênio):  |
| Responder | A pressão do gás é causada pelos impactos das moléculas nas paredes do recipiente; não depende do tipo de gás. Em condições de equilíbrio térmico, a temperatura dos gases incluídos na mistura gasosa, neste caso o oxigênio e o hidrogênio, é a mesma. Isto significa que as pressões parciais dos gases dependem do número de moléculas do gás correspondente. Um mol de qualquer substância contém  |
