Fisica: la pressione di solidi, liquidi e gas

Uno dei parametri importanti che caratterizza i tre stati fondamentali della materia in modi diversi (gas, solido e liquido) è la pressione. L'articolo discute i principali problemi della fisica della pressione di solidi, liquidi e gas.

Tre stati aggregati di materia

Prima di passare alla questione della pressione in fisica, definiamo corpi solidi, liquidi e gassosi, che sono i principali modi di esistenza della materia sul nostro pianeta.

Un corpo solido praticamente non mostra fluidità, e questo fatto caratterizza la differenza principale tra solidi e liquidi e gas. Le particelle che costituiscono un solido (molecole, atomi) si trovano in certe posizioni spaziali e le cambiano molto raramente. Ecco perché qualsiasi influenza di una forza esterna su un corpo solido porta alla comparsa di forze opposte in essa, cercando di preservare la forma e il volume.

Liquidi e gas sono stati liquidi della materia, cioè anche l'impatto minimo di una forza esterna su di essi porterà a un cambiamento nella loro forma. Sia nei liquidi che nei gas, le particelle di cui sono composti non hanno un preciso spazio nello spazio e salgono costantemente da una posizione all'altra. Questi stati fluidi differiscono nella forza dell'interazione tra le loro particelle. Così, nei liquidi, la forza di interazione tra atomi e molecole, sebbene di un ordine di grandezza inferiore a quella di un solido, rimane ancora significativa al fine di mantenere il volume occupato dal liquido. Ciò significa che i liquidi sono praticamente incomprimibili. Nei gas, tuttavia, la forza di interazione tra le particelle che li formano può essere trascurata, quindi i gas occupano sempre un volume arbitrariamente grande, che è a loro disposizione.

Si noti che esiste un quarto stato della materia: il plasma, che è simile al gas nelle sue proprietà, ma differisce da esso in quanto le sue caratteristiche sono in gran parte determinate da effetti magnetici ed elettrici. La maggior parte della materia nell'universo è precisamente in uno stato di plasma.

Il concetto di pressione in fisica

Per capire quale sia la pressione, devi prima considerare il concetto di forza. La forza in fisica è intesa come l'intensità dell'impatto o dell'interazione tra i corpi. Per esempio, quando si formula la seconda legge di Newton, la forza è intesa come la quantità fisica di qualsiasi natura, che è in grado di impartire una certa accelerazione a un corpo di massa finita. Nel Sistema internazionale di unità, la forza è misurata in newton (N). Una forza di 1 N è in grado di cambiare la velocità di un corpo del peso di 1 kg per 1 m ogni secondo.

La pressione è una quantità definita come la componente perpendicolare della forza, relativa a una superficie con una determinata area, ovvero:

P = F / S, dove

P - pressione, area S, forza F.

La misurazione della pressione in fisica viene eseguita in pascal (Pa), 1 [Pa] = 1 [H] / 1 [m ² ].

Se la forza F agisce su un certo angolo rispetto alla superficie, quindi per calcolare la pressione, è necessario determinare la componente perpendicolare della forza a questa superficie. La forza che agisce tangenzialmente sulla superficie non crea alcuna pressione.

Solidi e pressione

Poiché la forza e la superficie dell'impatto sono necessarie per creare pressione, ciò è impossibile nel caso dei solidi, poiché si trovano in uno stato di equilibrio. In effetti, ogni particella di un solido assume una determinata posizione e la forza risultante che agisce su questa particella dall'ambiente è zero. Pertanto, parlando della fisica della pressione dei solidi, intendiamo la partecipazione di oggetti esterni con cui questi corpi interagiscono.

Ad esempio, se prendi una barra di metallo e la metti sulla sabbia con un piano più grande, inizierà a creare una certa pressione sulla superficie della sabbia. Ora, se mettiamo lo stesso legname sulla sabbia con un piano più piccolo, allora possiamo vedere che si tufferà nella sabbia fino a una certa profondità. La causa di questo fenomeno sarà la diversa pressione esercitata dalla barra metallica sulla sabbia nelle sue diverse posizioni. Dalla formula per la pressione P = F / S, si può vedere che minore è l'area, maggiore è la pressione che crea un corpo solido sulla superficie del supporto. Nel caso di una barra, la forza F è rimasta costante in tutte le sue posizioni ed era uguale al peso della barra:

m × g dove

m e g sono rispettivamente la massa del raggio e l'accelerazione della gravità.

Pressione del fluido

Poiché i gas e i liquidi sono rappresentanti della materia fluida, la fisica della pressione in liquido e gas è caratterizzata dal fatto che entrambi gli stati della materia in un loro volume infinitamente piccolo esercitano la stessa pressione in tutte le direzioni spaziali. Tuttavia, se il volume in esame avrà alcune dimensioni finite, allora per i liquidi, la forza di gravità inizierà a svolgere un ruolo, con il quale gli strati superiori agiranno sugli strati inferiori. Questa forza porta al concetto di pressione idrostatica.

In fisica, la pressione idrostatica è definita come la pressione con cui un fluido agisce su un corpo immerso in esso. Questa pressione è calcolata dalla formula:

P = ρ × g × h, dove

ρ e h sono rispettivamente la densità e la profondità del fluido.

Pressione nei mezzi gassosi

Considerando i gas, va detto che la pressione in essi è associata esclusivamente al movimento casuale di atomi e molecole.

Supponiamo che ci sia un gas chiuso in alcune navi. Poiché le sue particelle si muovono casualmente in tutte le direzioni allo stesso modo, quando raggiungono le pareti della nave, inizieranno a colpirle, cioè a creare pressione. Naturalmente, l'impatto di una singola particella creerà una pressione molto piccola, tuttavia, se consideriamo che ci sono molte di queste particelle (dell'ordine del numero di Avogadro N _A = 6.02 * 10 ²³ ) e che si muovono ad alte velocità (circa 1000 m / s), in pratica la pressione esercitata sulle pareti della nave diventa evidente.

A differenza dei liquidi, le particelle di gas non interagiscono l'una con l'altra (l'approssimazione del gas ideale), quindi non ha senso parlare della pressione degli strati di gas superiori a quelli inferiori.

Cosa determina la pressione nel gas?

Conoscendo la natura dell'apparenza della pressione nei gas, si può presumere che se aumentiamo il numero di particelle che colpiscono le pareti dei vasi e aumentiamo la forza di questi impatti, allora la pressione dovrebbe aumentare. A questo proposito, i seguenti fattori determinano il cambiamento di pressione nel gas.

• Concentrazione di particelle Può essere aumentato riducendo il volume che il gas assume. A temperatura costante, una variazione di volume influirà inversamente sulla pressione.
• Temperatura. Poiché questo valore determina l'energia cinetica delle particelle di gas, il suo aumento, con altri parametri costanti del sistema, porterà ad un aumento della pressione.

Pressione dell'atmosfera terrestre

Poiché l'atmosfera del nostro pianeta è una miscela di gas (principalmente azoto e ossigeno), la fisica della pressione atmosferica non differirà dalla fisica della descrizione di questa quantità per i gas. Pertanto, la pressione atmosferica sulla superficie terrestre è di 101 325 Pa o 100 kPa, che corrisponde ad una pressione di 760 mm Hg.

Con un aumento di altitudine, la concentrazione di molecole d'aria inizia a diminuire, poiché la gravità diminuisce, e già all'altezza dell'Everest (8.848 m), la pressione dell'aria scende a 34 kPa, ovvero 1/3 di quella a livello del mare. Una tale diminuzione della pressione atmosferica è una seria minaccia per la vita umana.

Un esempio di risoluzione del problema

Qualsiasi soluzione al problema della fisica sulla pressione viene effettuata utilizzando le formule e i concetti discussi nell'articolo. Diamo un esempio di risoluzione di uno di questi problemi.

Ai fini pratici, la pressione atmosferica in fisica è comunemente espressa in millimetri di mercurio. Qual è la pressione in millimetri del mercurio sulla cima dell'Everest?

Dalle informazioni di cui sopra è noto che nella parte superiore della montagna più alta del mondo, la pressione dell'aria è di 34 kPa. Per determinare quale altezza dovrebbe essere una colonna di mercurio, in modo da bilanciare questa pressione atmosferica, usiamo la formula per la pressione idrostatica:

P = ρ × g × h,

da dove

h = P / (ρ × g), dove

ρ = 13 540 kg / m ³ - la densità di mercurio,

g = 9,81 m / s ² .

Sostituendo i valori noti nella formula, otteniamo:

h = 0,256 m = 256 mm.

Questo problema potrebbe essere risolto in un altro modo. Sapendo che la pressione dell'aria vicino alla superficie del pianeta è di 101 kPa, e questo corrisponde ad una pressione di 760 mm della colonna di mercurio, è possibile ottenere l'altezza della colonna di mercurio all'altezza dell'Everest in una proporzione semplice:

h = 34 × 760/101 = 256 mm.