Tlak v tekočini fb
 

Tlak v tekočini




Friderika Lavrič, avtor/ica gradiva, nudi inštrukcije fizike v naslednjih krajih: Ljubljana.

Skype Učitelj/ica omogoča inštrukcije tudi prek Skypa.


V poglavju Gostota snovi smo spoznali, da se ista snov lahko pojavi v treh fazah:

  • trdni

  • kapljevinasti

  • plinasti

Snov v kapljevinasti in plinasti fazi imenujmo s skupno besedo tekočina.


Tudi znotraj tekočin deluje tlak. Še vedno velja enačba, ki smo jo spoznali v poglavju Deformacija trdnin:




Problem je, ker prvi trenutek ne vemo, kaj je v našem primeru sila in kaj ploskev, na katero deluje sila. Da bi razčistili dilemo, si najprej oglejmo mehanizem tlaka v tekočinah. Razložimo ga lahko na dva načina:


  • Tlak, ki ga povzročajo gibajoče molekule


    Tlak v tekočinah si lahko razložimo z opazovanjem gibanja molekul snovi v zaprti posodi. Molekule se gibljejo z veliko hitrostjo, ki je odvisna od mase molekul in od temperature. Ker se gibljejo v vse smeri, se gibanje v povprečju medsebojno izniči in zato gibanja tekočine kot celote ne zaznamo. Gibajoče molekule se tako zaletavajo tudi ob steno posode in s tem ustvarijo tlak. Natančneje je tlak sile na stene posode razložen v poglavju Plinska enačba.


  • Tlak sile teže tekočine


    Na mirujočo tekočino lahko gledamo tudi kot na snov, ki ima svojo težo. S tem, ko deluje sila teže na ploskev S, ustvarja tlak p. Kako ga izračunamo, bomo izpeljali malce nižje.


    Primer

    Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
     
     
    Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


    Zanimivo je, da tlak v tekočinah ne deluje samo navpično navzdol (tako kot smo navajeni, da deluje sila teže), pač pa sila deluje v vse smeri (slika 1).


Slika 1: tlak v tekočinah deluje v vse smeri



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Izračun tlaka v kapljevinah



Izračunajmo, kolikšen tlak deluje na vodoravno ploskev površine S, ki se nahaja v v globini h kapljevine z gostoto kot kaže slika 2. Predpostavimo, da se gostota kapljevine z globino ne spreminja.



Slika 2: izračun tlaka



Na ploskev S deluje sila teže tekočine, ki je nad ploskvijo S in ustvarja tlak p:



Tlak v tekočini ni odvisen od ploskve S, pač pa samo od globine h in gostote . Deluje v vse smeri, ne samo navzdol, kar smo spoznali že v uvodnem poglavju.


Tlak v tekočini je odvisen samo od globine h, od gostote tekočine in od gravitacijskega pospeška g:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Zračni tlak



Zrak tvori plašč okoli Zemlje. Enačbo za tlak, ki smo jo izpeljeli v prejšnjem poglavju, v primeru zraka ne moremo neposredno uporabiti. Zrak je namreč stisljiv in teža zraka v višjih plasteh vpliva na njegovo gostoto v nižjih plasteh. Na gostoto zraka vpliva tudi temperatura, ki je v višinah precej niižja, kot je pri tleh. Enačba za tlak se precej zaplete:




V enačbi (2) gostota zraka ne nastopa več kot konstanta, temveč se spreminja z višino in temperaturo. Zato lahko enačbo (2) uporabimo le približno, ko gre za manjše višinske razlike in lahko predpostavimo, da se gostota zraka z višino ni bistveno spremenila in da je tudi temperatura v opazovanem območju stalna.


Zračni tlak na površini Zemlje je približno 1 bar ali . Malo se spreminja s temperaturo, nadmorsko višino kraja in je odvisen od vremena.


Zračni tlak na površini Zemlje je (v povprečju):




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Pri izračunu, kakšen je tlak tekočine v gobini h, moramo upoštevati tudi tlak zraka nad kapljevino. Zračni tlak in tlak kapljevine (npr. vode) se seštevata.



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Naprave, ki delujejo na osnovi tlaka v tekočinah



Spoznanja, do katerih smo prišli, so uporabljena v številnih orodjih in merilnih napravah.


Vezna posoda



Najprej narišimo skico vezane posode:


Slika 4: vezna posoda z eno tekočino



Vzemimo zavito cev, kot kaže slika 4 in v en krak nalijemo vodo ali neko drugo tekočino. Voda bo napolnila tudi drugo cev tako, da bo se bosta nivoja izravnala. Ker sta cevi zgoraj odprti, deluje v obeh krakih na vodo zračni tlak . Z globino se tlah povečuje zaradi sile teže vode. V globini je v obeh krakih isti tlak:




Največji tlak je seveda na dnu vezne posode:




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Meritev gostote kapljevine



Slika 5: vezna posoda z dvema tekočinama z različnima gostotam



V vezno posodo vlijemo dve različni tekočini z različnimi gostotama. Paziti moramo, da se tekočini ne zmešata. V tem primeru je gladina tekočine nižja v kraku, v katerem je gostota večja.


V ravnini, ki predstavlja mejo med tekočinama (črtkana črta na sliki 5) sta tlaka na obeh straneh enaka. Takrat velja:



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



Natega



Da si bomo natego lažje predstavljali, jo narišimo:


Slika 6: natega



Natega je cev, s pomočjo katere lahko pretočimo tekočino npr. iz soda v niže ležečo posodo. Deluje le, če na nek način v začetku napolnimo cev z vodo - npr. s podtlakom (posesamo tekočino v cev) ali pa napolnimo cev s tekočino, predno jo damo v posodo.


Da bo tekočina tekla ven iz posode, morata biti izpolnjena dva pogoja:


  • Prvi pogoj za delovanje natege


    V cevi mora biti povsod pozitivna tlačna razlika usmerjena proti iztoku cevi, sicer tekočina ne bo odtekala po cevi ven iz posode.


    Opazujmo tlaka na vrhu natege, ki ga povzroči levi stolpec vode po sliki 6. Tlak levega stolpca na nivoju gladine tekočine v sodu mora biti enak zračnemu tlaku - torej:



    in tlak , ki ga povzroči desni stolpec je podobno:




    Tlačna razlika pa je:



    Če je , je razlika pozitivna in tekočina bo tekla iz soda.


  • Drugi pogoj za delovanje natege


    Drugi pogoj delovanja je, da je tlak pozitiven. Z drugimi besedami: tlak stolpca tekočine višine mora biti manjši od zračnega tlaka, kar omogoča dvigovanje tekočine po levi cevi.




Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Hidravljična stiskalnica



Narišimo si skico hidravlične stiskalnice:


Slika 7: hidravljična stiskalnica



Hidravljična stiskalnica je sestavljena iz cevi, ki ima na vsakem koncu bat - slika 7. Cev je napolnjena z tekočino - npr. oljem. Bata imata različni ploščini S. Na bat z manjšo ploščino delujemo s silo . Da bo sistem v ravnovesju, delujemo tudi na večji bat s silo .


Podobno kot pri vezni posodi tudi sedaj velja, da je tlak tekočine odvisen od zunanjega tlaka - torej tlaka, s katerim bat pritiska na tekočino in od globine, kjer opazujemo tlak. V našem primeru opazujemo tlak le pod batom, ko je globina enaka nič. Ker sta bata približno na isti višini, ni tlačne razlike zaradi tlaka tekočine ali pa je mnogo manjša od tlaka, ki ga povzočata sili na bat. Zato velja:



Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Merilnik tlaka plina v zaprti posodi



Slika 8: merilnik tlaka plina: manometer



Merilnik tlaka plina ali manometer primerja tlak plina s tlakom, ki ga povzroči stolpec tekočine v cevki. Cevka je na eni strani priključena na posodo, v kateri je tlak p. Tekočina v cevki se dvigne za h - glej sliko 8. Iz dviga tekočine izračunamo tlak plina. Velja namreč:




Zračni tlak ne vpliva na meritev, saj je cevka nad tekočino neprodušno zavarjena in se v njej nahaja brezzračen prostor (ni molekul - ni tlaka).


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »


Merilnik zračnega tlaka



Slika 9: merilnik zračnega tlaka: barometer



Podobno kot manometer deluje tudi merilnik zračnega tlaka ali barometer. Zavita cevka ima na eni strani zbiralnik z merilno tekočino. Na drugi strani je cevka zavarjena (v njej pa je vakum). Zračni tlak deluje na merilno tekočino samo na strani zbiralnika, na drugi strani drži ravnovesje zračnemu tlaku tlak tekočine. Zbiralnik mora imeti zadosten volumen, da se sprememba višine tekočine na merilnem delu cevke ne pozna bistveno na višini tekočine v zbiralniku.


Primer

Primer je brezplačno dostopen prijavljenim uporabnikom.
 
 
Prijavi se za brezplačen dostop do primera »



glavni avtor in urednik gradiva: Satcitananda podjetje za proizvodnjo, trgovino in izobraževanje d.o.o., Ljubljana