Газ с точки зрения молекулярной теории

Рассмотрим свойства газов с точки зрения молекулярной теории. Начнем с изучения абсолютно упругого соударения частицы с массой m и скоростью Vm с покоящейся частицей массы М.

Соударение молекул газа с твердым телом

При таком соударении сохраняются энергия и импульс, что означает, что частице М в результате удара будет сообщена скорость, зависящая от начальной скорости частицы m, и соотношения их масс.

Если частица М соединена пружинами с такими же частицами, при ударе она получит начальную скорость Vm и соответствующий ей импульс – PM. Однако за счет многочисленных связей сообщенная скорость будет погашена, и частица М останется на прежнем месте.

Если при этом между частицей М и любой ближайшей к ней частицей разместить динамометр, можно заметить, что для компенсации полученного импульса PM потребуется определенная сила FM.

Теперь предположим, что по связанным частицам М миллиарды раз в секунду наносятся удары частицы m. В этом случае динамометры будут показывать определенную силу F, необходимую для компенсации всех ударов импульсов.

Сила F будет зависеть от массы ударяющихся частиц m, их средней скорости и количества ударов за единицу времени. Поскольку количество ударов пропорционально концентрации частиц m и их скорости, в итоге сила F пропорциональна концентрации частиц m, массе каждой частицы m и квадрату их средней скорости.

Как найти давление газа P?

Получить давление газа P можно, поделив силу F на площадь поверхности:

P = Fг/S

Получаем, что давление равно отношению силы, действующей со стороны газа к площади поверхности. Это давление, которое газ оказывает на поверхность, с которой соприкасается.

Если температура в сосуде однородна, то давление газа, вызванное соударениями молекул, распространяется равномерно на всю поверхность сосуда.

Давление жидкости

Давление жидкости имеет ту же природу: это также результат ударов молекул о стенки сосуда. Однако жидкость, в отличие от газа, по сосуду распределяется неравномерно, собираясь у дна.

По этой причине в жидкости на одинаковой глубине действует одинаковое давление во все стороны и на любые поверхности, независимо от их ориентации.

Неидеальный газ

При определенных условиях поведение газов отклоняется от предсказанного на основании существующих законов.

Соударение молекул не всегда происходит абсолютно упруго. Не всегда энергия этих ударов достаточно велика, чтобы преодолеть и сделать воздействие молекул газа с молекулами поверхности пренебрежимо малым .

Например, при низких температурах скорость молекул уменьшается, и они могут конденсироваться на поверхности. При очень высоких, напротив, возможно разрушение молекул при соударениях. И превращение их в химически другие вещества, и даже разрушение твердого тела, с которым они сталкиваются.

В результате возникает плазма – ионизированный газ, свойства которого будут в значительной степени отличаться от идеального газа.