Kaasun paine ja paine-erot

Kaasun rakenneosasten liike on sellaista, että ne pyrkivät täyttämään annetun tilan kokonaan ja leviämään siihen tasaisesti. Kun leviäminen estetään rajaamalla kaasu säiliöön, kaasu kohdistaa säiliön pintaan paineen. Esimerkiksi ilmapallon sisällä oleva ilma painaa ilmapallon seinämiä ulospäin. Pallon sisäpuolelta vaikuttaa voima, joka venyttää ilmapalloa. Koska kaasu on jakautunut tasaisesti säiliön sisällä, siellä vallitsee kaikkialla sama paine.

Mikrotasolla kaasun paine voidaan selittää pintaan kohdistuvan voiman avulla. Kaasussa pintaan kohdistuu jatkuvasti yksittäisten hiukkasten törmäyksiä. Törmäysten lukumäärä pysyy samanlaisena, kun hiukkasia on paljon. Makrotasolla kaasuhiukkasten törmäysten yhteisvaikutus kohdistaa voiman F seinämän pinta-alaan A. Kaasussa vallitseva paine on voiman ja pinta-alan osamäärä [[$p=\frac{F}{A}$]]. Paine on lämpötilan tavoin tärkeä kaasumaisen systeemin tilaa kuvaava muuttuja.

Mikrotason kuvauksen avulla voidaan ennakoida paineen muutoksia eri tilanteissa. Jos säiliössä olevan kaasun määrää lisätään, törmäyksiä säiliön seinämiin tapahtuu useammin ja paine kasvaa. Paine kasvaa myös lämpötilan noustessa. Kaasuhiukkasten liikkuessa nopeammin ne kohdistavat säiliön seinämään suuremman voiman törmätessään siihen. Kaasumaisen aineen tilaa tutkitaan tarkemmin luvussa Kaasun tila ja tilanmuutokset.

Säiliön seinämien eri puolilla olevien tilojen paine-eroista aiheutuu seinämään kohdistuva kokonaisvoima. Kokonaisvoiman suunta on suuremman paineen tilasta kohti pienemmän paineen tilaa. Sen suuruus lasketaan paineen määritelmän kautta.

[[$\quad F_{\text{kok}}=\Delta p\cdot A$]]

Jos seinämien molemmin puolin vallitsee sama paine, on paine-ero seinämän eri puolilla nolla. Tällöin seinämään ei kohdistu voimaa, joka pyrkisi siirtämään sitä. Oheiset animaatiot mallintavat lämpötilan ja aineen määrän vaikutusta paineeseen. Kun paine jommallakummalla puolella väliseinää kasvaa, kohdistuu seinämään korkeamman paineen puolelta suurempi voima kuin matalan paineen puolelta. Seinämään kohdistuu kokonaisvoima, joka siirtää sitä.


Animaatiot on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org).

Avaa sovelluksena (engl.)

Paine-erot pyrkivät tasoittumaan lämpötilaerojen tavoin. Kaasun hiukkaset liikkuvat siihen suuntaan, missä vallitsee pienempi paine. Esimerkki paine-erojen tasoittumisesta on vuotava paineistettu säiliö, kuten polkupyörän rengas tai paineilmapullo. Jos säiliössä on pienikin reikä, kaasu virtaa säiliöstä ulos alhaisemman paineen tilaan.

Monissa tilanteissa on kiinnostavinta tietää juuri paine-ero ympäristöön nähden. Tällöin käytetään termejä alipaine ja ylipaine. Jos säiliössä vallitsee 50 kilopascalin ylipaine, tarkoitetaan kaasun paineen säiliössä olevan 50 kilopascalia ulkopuolella olevaa ilmanpainetta suurempi. Mittari kertoo säiliössä olevan ylipaineen, eli paine-eron ulkoilmaan nähden.