Rychlost zvuku v plynech
Tabulka porovnává rychlost zvuku ve vybraných plynech. Hodnoty jsou orientační a závisí na teplotě, tlaku a složení plynu. Velké rozdíly mezi plyny — například helium 965 m/s vs. oxid uhličitý 259 m/s — jsou způsobeny především rozdílnou molární hmotností.
Rychlost šíření zvuku závisí na prostředí, kterým se zvuk šíří. Příklady rychlosti zvuku v plynech uvádí tabulka.
| Plyn | Rychlost [m/s] |
|---|---|
| Argon (20 °C) | 319 |
| Čpavek (0 °C) | 415 |
| Dusík (25 °C) | 334 |
| Helium (25 °C) | 965 |
| Kyslík (25 °C) | 316 |
| Methan (25 °C) | 430 |
| Neon (25 °C) | 435 |
| Oxid uhelnatý (25 °C) | 338 |
| Oxid uhličitý (25 °C) | 259 |
| Svítiplyn (20 °C) [3] | 453 |
| Vodík (25 °C) | 1284 |
| Vodní pára (100 °C) | 404,8 |
| Vzduch suchý (0 °C) | 331,4 |
| Vzduch suchý (25 °C) | 346,3 |
Zdroje:
Čmelík, M., Machonský, L., Šíma, Z. Fyzikální tabulky. Liberec: TU Liberec, 2001
[3] Mikulčák a kolektiv. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. Praha: SPN Praha, 1988
Externí zdroje k tématu: Wikipedie — Rychlost zvuku — Zeptej se vědce — Helium a hlas
Proč se rychlost zvuku v plynech liší?
Rychlost zvuku v ideálním plynu lze odvodit z termodynamiky:
c = √(γ · R · T / M)
kde γ je Poissonova konstanta plynu (poměr měrných tepelných kapacit), R univerzální plynová konstanta, T termodynamická teplota a M molární hmotnost. Klíčová je závislost na M v jmenovateli pod odmocninou — lehčí plyny šíří zvuk rychleji:
- Vodík (H2, M = 2 g/mol) — nejlehčí plyn, rychlost 1 284 m/s
- Helium (He, M = 4 g/mol) — 965 m/s
- Vzduch (M ≈ 29 g/mol) — 346 m/s
- Oxid uhličitý (CO2, M = 44 g/mol) — 259 m/s
Proto se nadechnutí helia projevuje pisklavým „kresleným" hlasem — základní frekvence hlasivek se nemění, ale rezonance v hlasovém ústrojí (hltan, ústa, nos) se posunou k vyšším frekvencím, což výrazně mění zabarvení hlasu.
Souvislosti
Pro detailní popis rychlosti zvuku ve vzduchu (závislost na teplotě, vzorec, Machovo číslo) viz Rychlost zvuku ve vzduchu. Pro porovnání s jinými skupenstvími najdete tabulky v pevných látkách a v kapalinách.
Časté otázky
- Proč se v heliu mluví vyšším hlasem?
- Helium má pětkrát menší molární hmotnost než vzduch, takže se v něm zvuk šíří přibližně třikrát rychleji. V hlasovém ústrojí to posune rezonanční frekvence k vyšším hodnotám — hlas zní pisklavě a „kresleně". Samotná výška hlasu (frekvence kmitání hlasivek) se nemění.
- V čem se zvuk šíří nejrychleji — v plynu, kapalině nebo pevné látce?
- Obecně platí: nejpomaleji v plynech (stovky m/s), rychleji v kapalinách (přibližně 1 500 m/s ve vodě) a nejrychleji v pevných látkách (5 000 m/s a více v oceli). Důvod je v rozdílných vazebných silách mezi částicemi — silnější vazby umožňují rychlejší přenos zvukové vlny.
- Jak rychlost zvuku v plynu závisí na tlaku?
- Za běžných podmínek prakticky vůbec. Ze vzorce c = √(γRT/M) je vidět, že tlak se ve vzorci nevyskytuje. To proto, že při zvýšení tlaku roste úměrně i hustota plynu — oba efekty se vyruší. Závislost na tlaku se projeví až za extrémních podmínek (velmi vysoké tlaky, blízkost kritického bodu).