07-и. Газообразные тела
§ 07-и. Газообразные тела
Изучив свойства и строение твёрдых, жидких и аморфных тел, для которых характерны дальний или ближний порядок в расположении частиц, перейдём к рассмотрению свойств и строения газообразных тел. Для газов характерно полное отсутствие порядка в расположении и движении частиц. Как говорят физики, во всех газах их частицы расположены и движутся хаотически (греч. «хаос» — беспорядок).
Вы знаете много газов: водород, кислород, углекислый газ, водяной пар, пары ртути, азот, озон, хлор, воздух (как смесь газов). Все они очень разные. Водород лёгкий, а углекислый газ тяжёлый; азот не пахнет, а озон «щиплет» нос; водяные пары безвредны, а пары ртути ядовиты; воздух бесцветный, а хлор имеет жёлто-зелёный цвет. Эти свойства у газов разные, но есть и общие.
Во-первых, все газы очень хорошо поддаются сжатию. Их можно сжать в 100 и более раз. Во-вторых, все газы подчиняются закону Паскаля, передавая оказанное на них давление в другие части сосуда. В-третьих, в отличие от жидкостей, газы всегда оказывают давление, даже в невесомости. Как же можно объяснить эти общие свойства всех газов? На этот вопрос отвечает молекулярно-кинетическая теория.
Строение газообразных тел. При обычных условиях расстояния между частицами газа во много раз больше размеров самих частиц, а кинетическая энергия их движения гораздо больше (по модулю) потенциальной энергии их притяжения друг к другу и/или к Земле. Поэтому частицы газа практически свободно летают, сталкиваясь друг с другом и «бомбардируя» стенки сосуда, в котором находятся.
Таково объяснение давления газов. Оно будет справедливым и в условиях невесомости, где давление газов сохраняется в отличие от давления твёрдых и жидких тел.
Заметим, что давление жидкости имеет совсем иное происхождение: вышележащие слои жидкости своим весом придавливают нижележащие слои (поэтому по мере опускания ко дну сосуда давление возрастает). В каждом слое из-за частых соударений частиц давление передаётся во все стороны, в том числе и на стенки сосуда. Поэтому в условиях невесомости (где жидкость и её отдельные слои не имеют веса) давление жидкости на дно и стенки сосуда будет равно нулю.
Это важное отличие происхождения давления газа от давления жидкости подтверждает опыт. На рисунке изображены два сосуда: левый — с жидкостью, а правый — с газом. Сосуды снабжены манометрами: вблизи дна, в средней части и вблизи горловины. Взгляните: у сосуда с газом манометры показывают одинаковые давления, а у сосуда с жидкостью — возрастающие значения по мере опускания. Причина этого — различный «механизм» происхождения давления в жидкостях и газах.
Объясним теперь свойство газов легко поддаваться сжатию и подчиняться закону Паскаля. Обратимся к рисунку. Вдвинув поршень, мы уплотним расположение частиц вблизи него. Однако вскоре эти частицы разлетятся по всему объёму сосуда, и в результате газ станет более плотным, а «бомбардировка» его частицами стенок сосуда — более интенсивной. То есть газ передаст оказанное на него давление поршня во все стороны.
Вспомним, что при увеличении температуры газа его давление возрастает (см. § 4-г). МКТ легко объясняет этот факт. Повышение температуры приводит к увеличению скорости движения частиц газа, поэтому «бомбардировка» частицами стенок сосуда усиливается, что и означает возрастание давления газа.