Давление газа и атмосферное давление

Недавно я уже рассказывал о давлении твердого тела, давлении жидкости, а также, в чем их особенности, и по какой формуле они вычисляются. Сегодня очередь давления газа.

Газ, заключенный в каком-либо объеме, стремится заполнить весь этот объем и оказывает на ограничивающие стенки давление — это и есть давление газа. Кроме того, газ имеет вес (по крайней мере, на земле), и верхние слои газа давят на средние, те еще больше на нижние — это называется барометрическим или атмосферным давлением.

Давление газа

Любой газ стремится занять все доступное пространство. Например, если у космонавта в открытом космосе вдруг возникнет хоть маленькая дырочка в скафандре — весь воздух очень быстро выйдет через эту дырочку и будет распространяться по космосу все дальше и дальше. Если некоторое количество газа запереть в каком-либо сосуде, то, стремясь расшириться, газ будет давить на стенки сосуда.

Это происходит, потому, что при любой температуре, кроме абсолютного нуля, молекулы газа находятся в хаотическом тепловом движении и иногда ударяются о стенки сосуда и действуют на них. Впервые на это обратил внимание Михаил Ваcильевич Ломоносов в середине XVIII века. Он опытным путем опроверг популярные в то время теории о теплороде и флогистоне, подготовив тем самым почву для молекулярно-кинетической теории XIX века. В рамках этой теории Рудольфу Клаузиусу, Людвигу Больцману и Джеймсу Максвеkлу удалось связать макроскопические параметры газа (давление, объем, температура) с микроскопическими (масса молекул, средняя скорость их движения) и вывести основное уравнение молекулярно-кинетической теории (см. вывод уравнения):

P•V=ν•R•T,

где P - это давление, V - это объем, ν - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная, а T - абсолютная температура.

Атмосферное давление

Гравитационное притяжение Земли заставляет воздух оказывать давление на все находящиеся на земле предметы и земную поверхность, и это давление называется атмосферным. В отличии от жидкостей, газ подвержен сжатию, поэтому атмосферное давление с ростом высоты изменяется не линейно (как давление жидкости с уменьшением глубины), а более быстро. Представим себе атмосферу, разделенную на много-много уровней одинаковой высоты, где самый верхний уровень считается под номером 1. Первый уровень оказывает давление p1 на второй, поэтому газ на втором уровне более плотный. Поэтому, несмотря на то, что уровни одинаковой высоты, второй уровень оказывает давление на третий более сильное, чем первый на второй: p2=p1•q2 + p1 (коэффициент q2 соответствует увеличению плотности газа) и, кроме того, передает давление p1. Дальше: p3=p2•q3 + p2, и так далее.

Такое изменение давление называется экспоненциальным. Для идеального газа расчетная формула давления (ее называют барометрической формулой) записывается как

p=p0 e-M•g•(h-h0)/R•T,

где p - давление газа в слое на высоте h, p0 - давление газа на нулевом уровне, M - молярная масса газа.

Несмотря на то, что формула будет абсолютно точной только для идеального газа, для обычного воздуха она тоже позволяет вычислить давление с хорошей точностью.