5 · Solids, liquids and gases

חומר תחת לחץ

אותו חומר יכול להיות מוצק, נוזלי או גז, והמולקלות שלו לעולם אינן מפסיקות להזיז. סעיף זה בודק חומר: צפיפות ולחץ, (P) האנרגיה הנדרשת לחמם או להמיס חומרים, והתנהגות הגז האידיאלי המקשרת בין לחץ, נפח וטמפרטורה.

Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Section 5 (הצהרות 5.1–5.22). היחידות כוללות הפסקל (Pa), קלווין (K) ו-(P) J/kg °C.

צפיפות ולחץ

צפיפות נמדדת ישירות — מסה באמצעות משקל, נפח באמצעות הדחה (גוף מוצק לא סדיר) או ממדים (צורה סדירה). לחץ בנוזל בשקט פועל באותו עוצמה בכל הכיוונים, וההפרש בלחץ בין שתי עומקים נובע ממשקל הנוזל ביניהם.

בדיקה פעולה. צולל ב-10 מ במים ($\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g = 10$ N/kg): הפרש לחץ $= 10 \times 1000 \times 10 = 100\,000$ Pa מעל הלחץ האטמוספרי.

שינוי מצב (P)

חימום מעלה את האנרגיה המאוגרת במערכת — או שהטמפרטורה עולה, או ב-נקודת ההמסה או נקודת הרתיחה האנרגיה הנוספת שוברת קשרים בעוד הטמפרטורה נשארת קבועה. חלקיקים: במוצקים הם רועדים סביב נקודות קבועות; בנוזלים הם זזים אקראית אך נוגעים זה בזה; בגזים הם זזים מהר, רחוק זה מזה, בקווים ישרים בין התנגשויות. קיבולת חום סגולית היא האנרגיה הנדרמת כדי להעלות 1 kg ב-1 °C:

בדיקה פעולה. חימום 2 kg של מים ($c = 4200\ \mathrm{J/(kg\ °C)}$) ב-30 °C: $\Delta Q = 2 \times 4200 \times 30 = 252\,000$ J.

מולקולות גז אידיאלי

מולקולות גז נעות באופן אקראי, ומפעילות כוח — ולכן גם לחץ — על הקירות בכל התנגשות. אפס מוחלט (−273 °C) הוא הטמפרטורה בה אנרגיה קינטית של מולקולות מינימלית: K = °C + 273. טמפרטורה גבוהה יותר → מהירות מולקולרית ממוצעת מהירה יותר, והטמפרטורה בקלווין פרופורציונלית לאנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות.

עבור מסה קבועה של גז: בטמפרטורה קבועה, לחץ × נפח הוא קבוע (לחיצה והמולקולות פוגעות בקירות תדירות יותר); בנפח קבוע, לחץ/טמפרטורה (K) הוא קבוע (מולקולות חמות יותר פוגעות בחוזקה):

בדיקה פתרה. גז בלחץ 100 kPa ובטמפרטורה 300 K מחומם (בנפח קבוע) ל450 K: $p_2 = 100 \times 450/300 = 150$ kPa. דחס מ2 dm³ ל0.5 dm³ בטמפרטורה קבועה: $p_2 = 100 \times 2/0.5 = 400$ kPa.

בדוק את עצמך

1. למכשול במסה 240 g יש נפח 40 cm³. חשב את הצפיפות שלו ביחידות kg/m³.
2. ציין את משוואת הלחץ ואת היחידה שלו.
3. חשב את הלחץ מתחת לעקב נעל במסה 500 N ושטח 0.01 m².
4. (P) מה נשאר קבוע בטמפרטורה של חומר בזמן שהוא נוטה?
5. (P) חשב את האנרגיה לחימום 0.5 kg אלומיניום (c = 900 J/(kg °C)) בטמפרטורה גבוהה ב40 °C.
6. המר 27 °C לקלווין, ו373 K ל°C.
7. מדוע גז מפעיל לחץ על מיכלו?
8. מה קורה למהירות המולקולרית הממוצעת כאשר הטמפרטורה עולה?
9. גז בלחץ 120 kPa ובנפח 3 dm³ דחס ל1 dm³ בטמפרטורה קבועה. מצא את הלחץ החדש.
10. ציין שתי תנאים הגורמים לכפל לחץ הגז.

תשובות: 1 $m = 0.24$ kg, $V = 4.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3}$; $\rho = 0.24/4.0\times10^{-5} = 6000\ \mathrm{kg/m^3}$; 2 $p = F/A$, בפסקלים (N/m²); 3 $p = 500/0.01 = 50\,000$ Pa; 4 (P) טמפרטורה — האנרגיה משמשת לשבירת קשרים בין-מולקולריים, ולא להגברת מהירות המולקולות; 5 (P) $\Delta Q = 0.5 \times 900 \times 40 = 18\,000$ J; 6 300 K; 100 °C; 7 המולקולות שלו פוגעות בקירות, כל התנגשות מפעילה כוח; סך הכוח ליחידת שטח הוא הלחץ; 8 היא עולה; 9 $p_2 = 120 \times 3/1 = 360$ kPa; 10 הכפלת הטמפרטורה בקלווין בנפח קבוע, או החציית הנפח בטמפרטורה קבועה.