Свойства газов

Мы уже выяснили, что все газы, в том числе и воздух, состоят из множества мельчайших частичек (молекул), находящихся в непрерывном движении. Число молекул в единице объема газа очень велико. Так, каждый кубический сантиметр воздуха в нашей комнате содержит около 2,7-10¹⁹ молекул, т. е. 27000000000000000000.

В газах молекулы находятся на значительно больших расстояниях друг от друга, чем в жидкостях и твердых телах, и не связаны между собой. Это подтверждается тем, что газы могут быть легко сжаты.

Молекулы газа всегда находятся в движении. Движение это беспорядочно, а скорости отдельных молекул различны. Большая часть молекул движется с некоторой скоростью, которая называется «средней скоростью». Некоторые молекулы движутся значительно медленнее, другие — превышают среднюю скорость. Однако чем больше отличие скорости молекул от средней скорости, тем меньше таких молекул. Средняя скорость молекул может быть определена опытным путем, она обычно и используется при всех расчетах. Средняя скорость молекул в газах при обычной температуре и давлении исчисляется сотнями и даже тысячами метров в секунду. Так, молекулы азота движутся со средней скоростью более 450 м/сек, а водорода около 2000 м/сек.

Молекулы газа сталкиваются одна с другой и ударяются о стенки сосуда, в котором они находятся. Число столкновений огромно. Оно составляет, например, для воздуха при обычных условиях в объеме 1 кубического сантиметра более 7 миллиардов столкновений в секунду. Путь, проходимый каждой молекулой от одного столкновения до другого, невелик. Так, в тех же условиях он составляет всего около 6 сотых микрона (6 миллионных долей сантиметра).

Молекулы как бы толкутся на одном месте. Среднее расстояние, которое проходят молекулы от одного столкновения до другого, называется длиной свободного пробега молекулы. Эта величина играет важную роль в науке о газах. Непрерывные удары молекул газа о стенки сосуда создают давление. Теоретически можно подсчитать величину этого давления: оно зависит от числа ударов частиц о стенки сосуда или окружающие предметы, скорости молекул и их массы.

На поверхности Земли все предметы находятся под давлением воздуха. Длительное время люди не имели представления о величине этого давления и о тех явлениях, которые обусловлены наличием этого давления. Только в 1643 году итальянский ученый Торичелли определил величину давления воздуха. Сделал он это по следующему поводу.

В начале XVII столетия во Флоренции устраивался большой насос для поливки цветов в саду великого герцога. Насос сделали лучшие мастера. Они особенно тщательно подогнали поршень и цилиндр насоса. При испытании насоса его строители были неприятно поражены: вода не поднималась во всасывающей трубе насоса больше чем на 18 локтей — около 10 метров (рис. 1). С просьбой дать объяснение этому непонятному явлению обратились к знаменитому ученому Галилею. Хотя Галилей уже знал о том, что воздух имеет вес, он не связал работу насоса с давлением воздуха, а ответил, что, по всей вероятности, отвращение природы от пустого пространства действует только до предела 18 локтей, а при большей высоте столба воды происходит его разрыв. Однако найденные впоследствии документы показали, что Галилей предполагал поставить опыт для проверки величины дазления воздуха. Арест и осуждение инквизицией помешали Галилею выполнить намеченную работу. Эту работу выполнил его ученик Торичелли, занявший после Галилея кафедру физики в Болонском университете.

Торичелли упростил опыт: вместо воды он взял значительно более тяжелую жидкость — ртуть. Опыт провести он поручил своему ученику Вивье. Заполнив ртутью запаянную с одного конца трубку и закрыв открытый конец, Вивье опрокинул ее в чашку с ртутью. Уровень ртути в трубке опустился, но вся ртуть из трубки не вылилась. Расстояние между уровнями ртути в трубке и в чашке составило около 760 миллиметров. Дальнейшие наблюдения показали, что уровень ртути в трубке не остается постоянным, изменяется во времени; ртуть то несколько поднимается, то опускается.

Почему же не выливается ртуть из такой трубки? Какая сила удерживает столб ртути? Ответ на этот вопрос будет ясен, если разобрать такой пример: возьмем два сосуда и соединим их трубкой; Если в один сосуд налить воду, то она будет перетекать в другой, пока уровни воды не сравняются. То же самое будет происходить, если в сосуды налить ртуть. Когда уровень ртути в обоих сосудах будет одинаковый, нальем на поверхность ртути в одном сосуде слой воды, во втором сосуде уровень ртути поднимется. Вода «отожмет» часть ртути. Подъем ртути во втором сосуде будет меньше, чем высота слоя воды в первом, во столько раз, во сколько ртуть тяжелее воды.

То же происходит и в барометрической трубке, только на поверхность ртути в открытом сосуде оказывает давление воздух. Так впервые было определено давление воздуха. Приборы для определения давления воздуха стали называть барометрами. Простейшим барометром является трубка Торичелли.

После этого величину давления воздуха или других газов принято измерять и выражать в миллиметрах ртутного столба, или, как их теперь называют в честь Торичелли, в торах. Торичелли доказал, что вода во всасывающих трубах насосов, так же как и ртуть в трубке, поднимается вследствие давления воздуха. Величина давления воздуха на поверхности Земли равна примерно 760 мм ртутного столба или 10 м водяного столба, поэтому всасывающие трубы насэ-сов должны быть не более этой величины. Он считал, что в пространстве над ртутью находится пустота. Позднее было показано, что на самом деле над ртутью содержится некоторое количество воздуха, который туда попадает из ртути, и пары ртути.

На рис. 2 (слева) показано, как при помощи трубки, заполненной ртутью, измеряют давление наружного воздуха или величину вакуума (рис. 2, справа). В первом случае это делается при помощи барометрической трубки Торичелли, во втором — путем присоединения открытой трубки, опущенной одним концом в ртуть, к разреженному пространству.

Величину давления воздуха на поверхности Земли и зависимость давления от высоты местности проверил Паскаль. Он поднялся на крышу высокого здания и обнаружил, что уровень ртути в трубке понижается при подъеме над поверхностью Земли. Уменьшение давления воздуха было особенно заметно при подъеме на горы. В 1648 году на гору Пюи де Дом в Овернской провинции поднялся Перрье (родственник Паскаля) и подтвердил предположения Паскаля.

Дальнейшие подробные исследования позволили определить давление воздуха и его температуру на различной высоте от поверхности Земли. На рис. 3 показаны свойства атмосферы в зависимости от высоты над поверхностью Земли.

Опыт, поставленный Торичелли, не сразу был понят и признан его современниками. Одни утверждали, что ртуть в трубке держится невидимыми нитями, другие продолжали придерживаться представлений о силе «боязни пустоты». Известный английский физик Роберт Бойль поставил специальные опыты с целью опровержения ложных взглядов. В этих опытах Бойль установил, что объем газа изменяется обратно пропорционально давлению, т. е. если повысить давление в два раза., то объем газа уменьшится тоже в два раза.

Так был установлен основной закон для газов.