13. Використання властивостей газів у техніці.

Гази мають ряд властивостей, завдяки яким вони є незамінними в багатьох технічних установках.

Газ — стисле пружне тіло. Тиск газу на стінки посудини відповідно рівнянню стану рівняється:

Цей тиск зникає лише тоді, коли m → 0 (газу майже немає) або V → ∞ (газ необмежене розширився), а також при абсолютному нулю (молекули газу не рухаються). Сила тиску газу на стінки — це окремий вид сили пружності. Газ подібний до пружини, що завжди стисла.

Характерно, що маленькі маси газу можуть створювати порівняно більші тиски.

Керування тиском газу. Тиск газу можна змінювати, змінюючи його об'єм або температуру. Крім того, тиск газу залежить від його маси. Збільшуючи масу газу в будь-якому замкнутому об'ємі, ми можемо підвищити тиск. Так роблять, накачуючи повітрям автомобільну шину або футбольний м'яч.

Гази, порівняно з рідинами й твердими тілами, легко стискуються. Невелика зміна тиску помітно змінює їхній об'єм. і навпаки, значна зміна об'єму не спричинює великої зміни тиску.

Більша стискальність газів дає можливість запасати їх у більших кількостях у балонах, зручних для збереження. Стислий природний газ транспортують по трубах на відстані в тисячі кілометрів.

Залежність тиску й об'єму газу від температури. Тиск й об'єм газів значно збільшується з підвищенням температури. При нагріванні на один градус об'єм газу при постійному тиску збільшується в сотні раз більше, ніж об'єм рідких і твердих тел.

Всі перелічені властивості газів використаються в техніці.

Газ — амортизатор Більша стискальність і легкість, можливість регулювання тиску — все це робить газ одним з найдосконаліших амортизаторів, які застосовуються в ряді пристроїв.

От як працює автомобільна або велосипедна шина. Якщо колесо наїжджає на горбок, то повітря в шині стискується й поштовх на вісь колеса значно зм'якшується. Коли б шина була тверда, то вісь підскочила б нагору на висоту горбка.

Газ — робоче тіло двигунів. Більша стискальність газу і яскрава виявлена залежність його тиску й об'єму від температури роблять газ незамінний робітників тілом у двигунах, які працюють на стисненому газі, і в теплових двигунах.

У двигунах, які працюють на стисненому газі, наприклад повітрі, газ, розширюючись, виконує роботу майже при постійному тиску. Стиснене повітря, давлячи на поршень, відчиняє двері в автобусах й електропоїздах. Стисненим повітрям надають руху пневматичному молотку та інші пневматичні інструменти, поршні повітряних гальм залізничних вагонів і вантажних автомобілів. Навіть на космічних кораблях є невеликі реактивні двигуни, які працюють на стисненому газі -гелії. Вони орієнтують корабель у потрібному напрямку.

В двигунах внутрішнього згоряння на автомобілях, тракторах, у літаках і реактивних двигунах як робоче тіло, що надає руху поршню, турбіну або ракету, використають гази високої температури. Під час згоряння горючої суміші в циліндрі температура різко підвищується до тисяч градусів, тиск на поршень зростає й газ, розширюючись, виконує роботу на всій довжині робочого ходу поршня.

Як робоче тіло в теплових двигунах можна використати тільки газ. Нагрівання рідкого або твердого тіла до такої самої температури, як і газу, спричинило б лише незначне переміщення поршня.

Будь-яка вогнепальна зброя по суті є теплова машина. Сила тиску газів — продуктів згоряння вибухових речовин — виштовхує снопу з каналу стовбура або снаряд з дула гармати. Характерно, що ця сила виконує роботу на всій довжині каналу. Тому швидкості кулі й снаряда величезні — сотні метрів за секунду.

Розріджені гази. Оскільки гази здатні необмежене розширюватися, добування їх при дуже маленьких тисках — у стані вакуум-складна технічна проблема. (У стані вакууму молекули газу практично не зіштовхуються одна з однієї, а зіштовхуються тільки зі стінками посудини).

Звичайні поршневі насоси внаслідок просочування газів між поршнем і стінками циліндра стають неефективними. Одержати за їхньою допомогою тиску, нижчі від десятих частин міліметра ртутного стовпа, не вдається. Доводиться використати для відкачування газів складні установки. Тепер досягнуті тиски близько 10^-10 Па -10^-12 мм. рт. ст..

Вакуум потрібний головним чином в електронно-променевих трубках й інших електронних приладах. Зіткнення електрично заряджених часточок (електронів) з молекулами газу перешкоджають нормальній роботі цих приладів. Іноді доводиться створювати вакуум у дуже більших об'ємах, наприклад у прискорювачах елементарних часточок.

Вакуум потрібний також для виплавляння вільних від домішок металів, створення термоізоляції й т.д.