Presiunea gazelor

Figura 9.1 Aerul cald din interiorul acestor baloane este mai puțin dens decât aerul rece din jur. Acest lucru are ca rezultat o forță de plutire care face ca baloanele să se ridice atunci când cablurile lor de ancorare sunt dezlegate.

Suntem înconjurați de un ocean de gaz – atmosfera – și multe dintre proprietățile gazelor ne sunt familiare din activitățile noastre zilnice. Gazele încălzite se extind, ceea ce poate face ca un balon cu aer cald să se ridice (Figura 9.1) sau poate provoca o explozie a anvelopei unei biciclete lăsate la soare într-o zi fierbinte.

Gazele au jucat un rol important în dezvoltarea chimiei. În secolele al XVII-lea și al XVIII-lea, mulți oameni de știință au investigat comportamentul gazelor, oferind primele descrieri matematice ale comportamentului materiei.

Atmosfera terestră exercită o presiune, la fel ca orice alt gaz. Deși în mod normal nu observăm presiunea atmosferică, suntem sensibili la schimbările de presiune, de exemplu, atunci când urechile tale „pocnesc” în timpul decolării și aterizării în timpul zborului sau când te scufunzi sub apă. Presiunea gazului este cauzată de forța exercitată de moleculele de gaz care se ciocnesc cu suprafețele obiectelor (Figura 9.2). Deși forța fiecărei ciocniri este foarte mică, orice suprafață de arie apreciabilă experimentează un număr mare de ciocniri într-un timp scurt, ceea ce poate duce la o presiune ridicată. De fapt, presiunea normală a aerului este suficient de puternică pentru a zdrobi un recipient metalic atunci când nu este echilibrată de presiune egală din interiorul recipientului.

Figura 9.2 Atmosfera de deasupra noastră exercită o presiune mare asupra obiectelor de la suprafața pământului, aproximativ egală cu greutatea unei mingi de bowling care apasă pe o zonă de dimensiunea unei unghii umane.

Presiunea atmosferică este cauzată de greutatea coloanei de molecule de aer din atmosferă deasupra unui obiect, cum ar fi vagonul cisternă. La nivelul mării, această presiune este aproximativ aceeași cu cea exercitată de un elefant african matur care stă pe un preș sau o minge de bowling tipică care se sprijină pe unghia ta. Acestea pot părea cantități uriașe, și așa sunt, dar viața pe pământ a evoluat sub o asemenea presiune atmosferică. Dacă de fapt așezați o minge de bowling pe unghia degetului mare, presiunea experimentată este de două ori presiunea obișnuită, iar senzația este neplăcută.

În general, presiunea este definită ca forța exercitată pe o zonă dată: P = F/A. Rețineți că presiunea este direct proporțională cu forța și invers proporțională cu suprafața. Astfel, presiunea poate fi crescută fie prin creșterea cantității de forță, fie prin scăderea suprafeței pe care se aplică; presiunea poate fi scăzută prin scăderea forței sau creșterea suprafeței.

Să aplicăm acest concept pentru a determina care exercită o presiune mai mare în Figura 9.3 – elefantul sau patinatorul artistic? Un elefant african mare poate cântări 7 tone, sprijinit pe patru picioare, fiecare cu un diametru de aproximativ 1,5 ft (zona amprentei de 250 in²), astfel încât presiunea exercitată de fiecare picior este de aproximativ 14 lb/in²:

presiune pe picior de elefant=14.000 lb/elephant × 1 elefant/4 picioare × 1 picior/ 250in² = 14 lb/in²

Patinătorul artistic cântărește aproximativ 120 lbs, sprijinit pe două lame de patine, fiecare cu o suprafață de aproximativ 2 in², astfel încât presiunea exercitată de fiecare lamă este de aproximativ 30 lb/in²:

presiune pe lamă de patine = 120 lb/patinator × 1 patinator/2 lame × 1 lamă/2 in² = 30 lb/in²

Chiar dacă elefantul este de peste o sută de ori mai greu decât patinatorul, el exercită mai puțin de jumătate din presiune. Pe de altă parte, dacă patinatorul își scoate patinele și stă desculț (sau încălțăminte obișnuită) pe gheață, suprafața mai mare pe care este aplicată greutatea sa reduce foarte mult presiunea exercitată:

presiune per picior uman = 120 lb/patinator × 1 patinator/2 picioare × 1 picior/30 in² = 2 lb/in²

Figura 9.3 Deși (a) greutatea unui elefant este mare, creând o forță foarte mare pe sol, (b) patinatorul artistic exercită o presiune mult mai mare asupra gheții din cauza suprafeței mici a patinelor. (credit a: modificarea lucrării lui Guido da Rozze; credit b: modificarea lucrării lui Ryosuke Yagi)

Unitatea SI de presiune este pascalul (Pa), cu 1 Pa = 1 N/m², unde N este newtonul, o unitate de forță definită ca 1 kg m/s². Un pascal este o presiune mică; în multe cazuri, este mai convenabil să se utilizeze unități de kilopascal (1 kPa = 1000 Pa) sau bar (1 bar = 100.000 Pa). În Statele Unite, presiunea este adesea măsurată în livre de forță pe o suprafață de un inch pătrat – pounds per square inch (psi) – de exemplu, în anvelopele auto. Presiunea poate fi de asemenea măsurată folosind unitatea de atmosferă (atm), care a reprezentat inițial presiunea medie a aerului la nivelul mării la latitudinea aproximativă a Parisului (45°). Tabelul 9.1 oferă câteva informații despre acestea și despre câteva alte unități comune pentru măsurarea presiunii

Numele și abrevierea unității	Definiție sau relație cu o altă unitate
pascal (Pa)	1 Pa = 1 N/m2 unitate recomandată IUPAC
kilopascal (kPa)	1 kPa = 1000 Pa
pounds per square inch (psi)	presiunea aerului la nivelul mării este de ~14,7 psi
atmosfera (atm)	1 atm = 101.325 Pa = 760 torr presiunea aerului la nivelul mării este de ~1 atm
bar (bar, or b)	1 bar = 100.000 Pa (exact) folosită în mod obișnuit în meteorologie
millibar (mbar, or mb)	1000 mbar = 1 bar
inci de mercur (in. Hg)	1 in. Hg = 3386 Pa folosită de industria aviatica, de asemenea în unele rapoarte meteo
torr	1 torr=atm numită după Evangelista Torricelli, inventatorul barometrului
milimetri de mercur (mm Hg)	1 mm Hg ~1 torr

Table 9.1 Unități de presiune

Exemplul 9.1Conversia unităților de presiune

Serviciul Național de Meteorologie al Statelor Unite raportează presiunea în atât în inci de Hg cât și în milibari. Transformați o presiune de 29,2 in. Hg în:

(a) torr

(b) atm

(d) mbar

Soluţie

Aceasta este o problemă de conversie a unităților. Relațiile dintre diferitele unități de presiune sunt prezentate în Tabelul 9.1.

(a) 29,2 in Hg × 25,4 mm/1in × 1 torr/1 mm Hg = 742 torr

(b) 742 torr × 1 atm/760 torr = 0,976 atm

(d) 98,9 kPa × 1000 Pa/1 kPa × 1 bar/100.000 Pa × 1000 mbar/1 bar = 989 mbar

ExerciȚiu

O presiune barometrică tipică în Kansas City este de 740 torr. Care este această presiune în atmosfere, în milimetri de mercur, în kilopascali și în bar?

Răspuns

0,974 atm; 740 mm Hg; 98,7 kPa; 0,987 bar

Fizica atomică și nucleară fenomenologică

Cartea abordează bazele fenomenlogice din fizica atomică, fizica nucleară, radioactivitatea, fizica particulelor, fisiunea, fuziunea și energia nucleară. Conținutul oferă o perspectivă modernă a domeniului, simultan cu o retrospectivă istorică a dezvoltării sale. Fiecare capitol pune accent pe explicațiile fizice ale … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 – $8,49 Selectează opțiunile

Materia: Solide, Lichide, Gaze, Plasma – Fenomenologie

O perspectivă contemporană asupra materiei, care ia în considerare toate entităţile ştiinţifice observabile, cu accent pe fenomene. În principiu, definiţia materiei se limitează la astfel de entităţi explorate de fizică. În funcţie de condiţiile termodinamice diferite, cum ar fi temperatura … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 Selectează opțiunile

Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99 – $34,55 Selectează opțiunile