Борис Кудрявцев - Первоначала вещей [Очерк о строении вещества]

Если для поддержания весов в равновесии в описанном опыте пришлось положить на закрытую чашку 400 граммов, а поверхность открытой чашки была 20х20=400 квадратных сантиметров, то, значит, дождь давил на чашку с силой, равной 400 г:400 см 2, то-есть с силой в 1 грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности чашки.

Силу, приходящуюся на единицу поверхности, называют давлением , и можно сказать, что давление дождя в описанном опыте равнялось 1 грамму на квадратный сантиметр поверхности.

Какое же отношение имеет сказанное к свойствам газов? Самое непосредственное!

Мы знаем, что молекулы газов беспорядочно движутся со скоростями, близкими к скорости полета пули. При движении молекулы сталкиваются со своими соседями и ударяются о стенки сосуда, в который заключен газ. Если наполнить бутылку обычным, не сжатым воздухом, то число ударов, которое испытывает каждый квадратный сантиметр поверхности бутылки в 1 секунду, выразится цифрой с 22 нулями. Это очень большое число. Если бы такое число просяных зерен положить рядышком одно к другому, то можно было бы сто раз протянуть эту дорожку из зернышек до одной из ближайших звезд и обратно.

Таким образом, на стенки бутылки непрерывно падает чрезвычайно частый дождь мельчайших «капелек» вещества — молекул. Частицы газа как бы бомбардируют стенки сосуда.

Удары отдельных молекул так слабы, что не отмечаются ни приборами, ни нашими органами чувств, но они так часто следуют друг за другом, что, сливаясь вместе, производят давление, которое уже нетрудно измерить приборами или ощутить непосредственно.

От чего зависит давление газа?

Очевидно, что чем больше молекул ударится в единицу времени о какую-либо поверхность, тем большее давление будет сна испытывать. Кроме того, давление зависит от скорости движения молекул газа. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее они ударяются о поверхность и тем больше будет производимое ими давление.

А что же происходит при сжатии газа?

Уменьшив объем, занимаемый тазом, в два раза, мы тем самым в два раза увеличим число молекул в каждом кубическом сантиметре, а значит, в два раза увеличим и число ударов о стенки сосуда в каждую секунду.

Если сжимать газ при постоянной температуре, то скорость молекул не изменяется: они ударяют о стенки с прежней силой, только чаще. Так, в нашем примере после уменьшения объема газа молекулы будут ударять о стенки в два раза чаще, и, значит, в два раза возрастет давление газа.

При очень сильном сжатии газ может сильно нагреваться. Кто знаком с работой дизельного мотора, тот знает, что в цилиндрах этой машины нет никаких «свечей» или каких-либо других средств зажигания. Поршень, сжимая газ в цилиндре, заполненном горючей смесью, сообщает ее молекулам такую скорость, что смесь разогревается до температуры вспышки. Воспламенившись, смесь быстро сгорает. Температура продуктов горения поднимается при этом еще выше, давление в цилиндре увеличивается, и поршень отбрасывается назад.

Вспомните, что, накачивая велосипедную шину, вы ощущаете, как нагревается насос. Многие скажут, что он нагревается благодаря трению поршня о стенки насоса. Это не совсем верно. Качайте этим же насосом воздух не в шину, а просто в атмосферу. Если насос при этом и нагреется, то слабее, чем в первый раз. Главная причина нагревания насоса заключается опять-таки в том, что, быстро сжимая газ, вы увеличиваете среднюю скорость его молекул, или, другими словами, повышаете его температуру.

При расширении сжатых газов наблюдается обратная картина — они охлаждаются.

Давление быстро растет при нагревании газов. Как это объяснить?

Вы уже знаете, что при нагревании газа скорости молекул увеличиваются. Быстрее двигаясь, молекулы чаще ударяются о стенки, и каждый удар их сильнее, чем при низкой температуре. Понятно, что возникающее от сложения ударов отдельных молекул давление газа в этом случае будет значительно больше.

Такова причина упругости газов. Впервые указал на нее М. В. Ломоносов.

«… Мы считаем излишним, — писал Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями, — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений. Мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его».

Сжимая какой-либо газ, мы уменьшаем расстояние между его молекулами. Увеличивая давление, можно очень сильно сблизить молекулы газа.

Известно, что вещество в жидком состоянии занимает меньший объем, чем в парообразном. Объем одного стакана воды, например, — 0,2 литра. То же количество воды в виде водяного пара займет объем приблизительно в полторы тысячи раз больший.

Невольно возникает вопрос: что же будет, если мы, увеличивая давление, сблизим молекулы газа до тех расстояний, на которых находятся друг от друга молекулы жидкостей? Не превратится ли газ в жидкость?

Этот вопрос давно привлекал внимание ученых. Более ста лет тому назад, в 1823 году, им занялся молодой английский физик М. Фарадей. Он производил много опытов, настойчиво добиваясь ответа на интересующий его вопрос.

Однажды, когда Фарадей ставил очередной опыт, пытаясь превратить в жидкость удушающий газ хлор, в лабораторию вошел его руководитель вместе с одним из своих приятелей. Последний, заметив на стенках прибора маслянистую жидкость и думая, что прибор загрязнен каким-то маслом по небрежности Фарадея, сделал ученому замечание. На следующее утро почтальон принес ему письмо молодого физика. Письмо было кратким: «Масло, замеченное вами вчера, было не чем иным, как жидким хлором».

Что же происходит при сжатии газа? Почему газ превращается в жидкость?

До сих пор при рассмотрении свойств мельчайших частиц вещества — атомов и молекул — мы умалчивали об одном важном их свойстве. Атомы и молекулы любого вещества притягиваются друг к другу особыми силами — силами молекулярного сцепления, подобно тому, как все тела притягиваются к земле силой тяготения. Пока расстояния между молекулами велики, силы молекулярного сцепления малы. Однако они быстро растут по мере того, как это расстояние уменьшается. Таким образом, при сжатии газа силы сцепления молекул друг с другом возрастают. Этих сил и оказывается достаточно для того, чтобы при комнатной температуре, когда молекулы газа еще быстро движутся, превратить в жидкость многие газы.

Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.

Рис. 17. Если литр воды обратить в пар, то пар при температуре кипения воды и атмосферном давлении займет цистерну объемом в 1 500 литров.