§ 19. Газоподібні тіла

У природі існує величезна кількість газів: водень, кисень, вуглекислий газ, водяна пара, пари ртуті, азот, озон, хлор і так далі. Усі вони дуже різні. Водень легкий, а вуглекислий газ - важкий; азот не пахне, а озон - "щипає" ніс; водяні пари нешкідливі, а пари ртуті - отруйні; повітря безбарвне, а хлор має жовто-зелений колір. Проте усі без виключення гази мають одну загальну властивість: вони легко стискуються.

Рисунок 2.20а. Рисунок 2.20б.

На відміну від рідин і твердих тіл, гази можна стискувати дуже сильно: в 100 і більше разів. Чому ж це можливо?

Будова газоподібних тіл. В молекулярно-кінетичній теорії встановлено, що при тисках газу, близьких до атмосферного, відстані між молекулами газу у багато разів більші розмірів самих часток. Це схематично показано на рисунку 2.20а. Але якщо газ стискувати, тобто збільшити його тиск, то міжмолекулярні проміжки зменшуються. Це показано на рисунку 2.20б.

Згадаємо, що в газах дифузія протікає набагато швидше, ніж в рідких і твердих тілах. Значить, молекули газів вільно переміщаються в просторі. Це може бути лише у тому випадку, якщо кінетична енергія руху часток газу значно більша потенціальної енергії їх притягання одна до одної. Перевага кінетичної енергії молекул газу над їх потенціальною енергією якраз і означає, що молекули газу практично вільно літають на всіх напрямках. Тому, наприклад, неможливо заповнити газом половину посудини: літаючи у всіляких напрямах, молекули незабаром рівномірно розподіляться по усьому об’єму посудини.

Тиск газу. На рисунку 2.21 зображено дві посудини: ліва - з рідиною, а права - з газом. Кожна посудина забезпечена трьома манометрами: поблизу дна, в середній частині посудини і поблизу горловини. Усі манометри посудини з газом показують однакові тиски, а манометри посудини з рідиною - зростаючі значення у міру просування від горловини до дна. Чому?

Рисунок 2.21. Рисунок 2.22.

Рідина давить на дно і стінки посудини тому, що на неї діє сила тяжіння. Частки рідини, притягуючись до Землі, придавлюють одна одну. Здійснюючи коливання, частки "бомбардують" дно і стінки посудини. Образно виражаючись, таке "підневільне бомбардування" і є тиск рідини. Саме тому тиск рідини зростає у міру опускання до дна посудини.

Тиск, що створюється газом, має принципово інше походження. На молекули газу теж діє сила тяжіння, проте вони не придавлюють одна одну, оскільки вільно літають у всіх напрямках усередині посудини. Частки постійно ударяються одна з одною і із стінками посудини. Образно кажучи, тиск газу - це вже "волелюбне бомбардування" (рис 2.22).

Встановлено, що при збільшенні температури тиск газу зростає. Молекулярно-кінетична теорія пояснює цей факт так. Підвищення температури призводить до збільшення швидкості руху часток газу. Тому "бомбардування" частками стінок посудини посилюється, що і означає зростання тиску газу. Подібно до рідин, гази теж передають на всі боки чинений на них тиск (закон Паскаля).

Рисунок 2.23 ілюструє відмінність газоподібної речовини від рідини на прикладі води. Молекула води H₂O складається з одного атома кисню і двох атомів водню, розташованих під кутом 104°. Середня відстань між молекулами пари в десятки разів перевищує середню відстань між молекулами води.

Рисунок 2. 23.

Водяна пара (1) і вода (2). Молекули води збільшені приблизно в 5·10⁷ разів.

У газах відстані між молекулами значно більша їх розмірів. Сили взаємодії між молекулами на таких великих відстанях малі, і кожна молекула рухається уздовж прямої лінії до чергового зіткнення з іншою молекулою або із стінкою посудини (рис 2.22) Середня відстань між молекулами повітря за нормальних умов порядку 10^-8м, тобто в десятки разів перевищує розмір молекул. Слабку взаємодію між молекулами пояснює здатність газів розширюватися і заповнювати увесь об'єм посудини. У межі, коли взаємодія прагне до нуля, ми приходимо до уявлення про ідеальний газ.

Питання:

1. Як МКТ пояснює хорошу стисливість газів?

2. Охарактеризуй мікроскопічну будову газів.

3. У чому відмінність тисків, що створюються рідиною і газом?

4. Як МКТ пояснює збільшення тиску газу при підвищенні його температури?