Что находится между молекулами воздуха
Аллотропия. Взаимодействие между молекулами
Содержание
Мы уже знаем, что молекула и атомы – наименьшие частицы, составляющие то или иного вещества. Однако, иметь знания о составляющих вещество молекулах недостаточно, чтобы описать его свойства. Например, пар и лед состоят из одинаковых молекул воды, но свойства у них отличаются.
Вспомните конструктор «Лего». Мы высыпаем из коробки просто кучу деталей, которые можно собрать и построить дом или автомобиль, в зависимости от того, каким образом одни и те же детали будут нами соединены.
Аналогично обстоит дело и с веществом. Чтобы его описать, необходимо не только знать атомный и молекулярный состав, но и способы соединения частиц, а также их взаимодействия.
Свойство разных простых веществ состоять из одинаковых частиц называется аллотропией, а сами вещества – аллотропными модификациями.
Самым большим количеством аллотропных модификаций обладает углерод (рисунок 14). Его атом получил свое название от вещества, состоящего из атомов угля.
Из таких же самых атомов состоят сажа, графит и алмаз. Просто атомы в них по-другому расположены и по-другому взаимодействуют. Поэтому, их свойства сильно отличаются: из твердого алмаза делают режущие инструменты, а из мягкого графита – стержни для карандашей.
Рисунок 15. Аллотропные модификации углерода.
Взаимное притяжение молекул
Если же все молекулы находятся в беспрерывном движении, почему твердые и жидкие тела не распадаются? Значит, молекулы как-то взаимодействуют между собой, взаимно притягиваются друг к другу.
Но, если вы сломаете карандаш, он же не склеится обратно? Из этого можно сделать просто вывод, что притяжение между молекулами действует только на очень коротком расстоянии. Притяжение между молекулами разных тел неодинаково, что объясняется различной прочностью.
Рассмотрим следующий опыт: если у двух цилиндров идеально ровно срезать поверхности и прижать их друг к другу, вам удастся разорвать их только при большой нагрузке (рисунок 16).
Рисунок 16 Сцепление двух свинцовых цилиндров.
Заметим, что притяжение между молекулами становится заметным, когда расстояние между ними не превышает размеров самих молекул.
Если мы попытаемся таким же образом соединить осколки стекла, то из-за неровностей у нас ничего не выйдет – расстояние между молекулами окажется слишком велико.
Но если нагреть куски стекла, то стекло станет возможно починить. На том же принципе происходит соединение кусков металла при сварке или пайке.
Но почему тогда между молекулами существуют промежутки? По логике вещей, они должны намертво слипнуться. Но этого не происходит, поскольку между молекулами (атомами) в то же время существуют силы отталкивания.
На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов), заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении – отталкивание (рисунок 17).
Рассмотрим примеры, подтверждающие существование отталкивания между молекулами. Если вы несильно скомкаете лист бумаги, постепенно он начнет расправляться, так как при сжатии молекулы оказались настолько близко друг к другу, что начало проявляться отталкивание. Другие явление связаны со смачиванием твердого тела жидкостью. Взгляните на рисунок 18.
Рисунок 18. Иллюстрация опыта, доказывающего притяжения между молекулами вещества и демонстрирующего эффект смачивания.
На пружине с помощью нитей закреплена стеклянная пластина, ее подносят к емкости с водой так, чтобы она легла на поверхность жидкости.
Когда мы пытаемся оторвать платину от поверхности воды, пружина заметно растягивается. Это доказывает существование притяжения между молекулами.
К тому же, мы можем заметить, что стеклянная пластина теперь покрыта тонким слоем воды – это значит, что разрыв произошел там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом, а не с поверхностью стекла.
Благодаря эффекту смачивания мы можем вытирать мокрые предметы, но с другой стороны, вода может и не смачивать тела (парафин/воск/жир) – это означает, что молекулы жидкости притягиваются друг к другу с большей силой, чем к молекулам твердого тела.
Межмолекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов. Агрегатные состояния
Содержание
Чтобы подробнее рассмотреть свойства веществ, нам необходимо разобраться в их молекулярном строении.
Рассмотрим пример. После дождя появилась лужа. Если ударит мороз, и лужа замерзнет, то по ней уже можно будет проехаться. В жару вода из лужи быстро испарится, превратившись в пар. Но разве в этих случаях лужа будет состоять из другого вещества?
Нет, она все так же состоит из одних и тех же молекул. Лед, пар и вода – это одно и то же вещество, но молекулы в нем могут по-разному располагаться и взаимодействовать.
В таких случаях говорят, что вещество способно пребывать в разных состояниях или переходить из одного в другое (рисунок 19).
Рисунок 19. Расположение молекул воды в трех разных состояниях: твердом – лед, жидком – вода и газообразном – водяной пар.
Агрегатные состояние – это состояния одного вещества, при которых его свойства значительно различаются. Оно определяется расположением молекул вещества и характером их движения. Различают 3 основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.
Но у веществ существуют и другие состояния. При очень больших температурах молекулы склонны распадаться на составляющие их атомы, ионы и электроны, о которых пойдёт речь позже. Из этих частиц состоит плазма – одно из состояний вещества.
Мы можем ее наблюдать в виде пламени костра или свечи. Вещества, из которых состоит Солнце, тоже пребывают в плазменном состоянии, плазма в атмосфере вызывает полярное сияние. На свойствах плазмы базируется принцип работы плазменных телевизоров.
Бывают неустойчивые состояния веществ: переохлажденные или перегретые жидкости. Они достигаются охлаждением жидкости ниже температуры кристаллизации либо нагревом ее выше температуры испарения при определенных условиях. При этом, незначительное внешнее воздействие на такую жидкость вызывает ее резкий переход в твердое либо газообразное состояние.
Но сейчас мы рассмотрим подробнее основные агрегатные состояния.
Твердое
Твердым можно назвать любой предмет, сохраняющий свою форму, если его специально не разрушать. Другими словами – это такое агрегатное состояние вещества, при котором оно сохраняет свой объем и форму.
Молекулы/атомы в таком веществе находятся на определенных позициях, они могут колебаться на своих местах, но их положение по отношению к другим молекулам/атомам практически не меняется (рисунок 20).
В твердых кристаллических веществах атомы образуют кристаллическую решетку (лед, соль, металлы и др.) (рисунок 21).
Рисунок 20. Молекулярное строение твердого вещества (лед). 
Рисунок 21. Молекулярное строение твердого кристаллического вещества (поваренная соль: атомы натрия – красного цвета, атомы хлора – синего).
В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) намного больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.
В твердых аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры, но и не находятся в постоянном движении (смола, янтарь). Обычно характеризуются невысокой температурой плавления, из-за чего могут легко переходить в другое агрегатное состояние и обладать текучестью.
Жидкое
К жидкостям относят тела, изменить форму которых очень легко. Например, налить воду из графина в стакан (рисунок 22). Чего нельзя сказать про их объем.
Наполним шприц водой, закроем пальцем отверстие и попробуем сжать воду. У нас ничего не получится. Жидкость – практически несжимаема. Это такое агрегатное состояние, в котором тело способно сохранять свой объем, но не сохраняет форму.
Рисунок 22. Изменение формы жидкого вещества.
Молекулы жидкости находятся довольно близко (расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул) и их взаимодействие ощутимое. Молекулярное строение жидкости представлено на рисунке 23.
Рисунок 23. Молекулярное строение жидкого вещества (воды).
Также на свойстве жидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов из расплавленного стекла (рисунок 24).
Рисунок 24. Выдувание из расплавленного (жидкого) стекла.
Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем, но не сохраняет форму.
В состоянии невесомости жидкость имеет форму шара, потому что внешние силы уравновешены и форма определяется только силами молекулярного взаимодействия. У последних нет единого направления, поэтому форма жидкости симметрична в любых направлениях.
Газообразное
Большинство газов бесцветны и прозрачны, а потому невидимы. Его присутствие мы можем почувствовать при дуновении ветра, сквозняка в комнате или же на примере простых опытов (рисунок 25).
Рисунок 25. Иллюстрация опыта, подтверждающего наличие воздуха в окружающем нас пространстве.
Опустим в воду воронку, предварительно соединив ее резиновой трубкой со стеклянной трубочкой. Из трубочки начнут выходить пузырьки воздуха, которые до этого были в воронке и во всей системе в целом. Подобные простые опыты подтверждают наличие воздуха вокруг нас.
Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и в постоянном хаотичном движении. Поэтому часто взаимодействие между молекулами газа не учитывается, и большое пространство между частицами позволяет сильно сжимать газы. Молекулярное строение газа представлено на рисунке 26.
Рисунок 26. Молекулярное строение газа (паров воды).
Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объем.
Физика (7 класс)/Начальные сведения о веществе
Содержание
Строение вещества. [ править ]
Многие опыты подтверждают представления о строении вещества. Рассмотрим некоторые из них.
Попытаемся сжать теннисный мячик. При этом объем воздуха, который заполняет мяч, уменьшится. Можно уменьшить и объем надувного шарика, и кусочка воска, если приложить некоторое усилие.
Объем тела изменяется также при его нагревании и охлаждении.
Проделаем опыт. Возьмем медный или латунный шарик, который в не нагретом состоянии проходит сквозь кольцо. Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозь кольцо не пройдет. Через некоторое время шарик, охладившись (а значит и уменьшившись в размере), и частично нагрев кольцо, (а значит, увеличив его), он вновь пройдет сквозь кольцо.
С помощью опыта определим, как меняется объем жидкости при нагревании.
Колбу, наполненную доверху водой, плотно закроем пробкой. Сквозь пробку пропускаем стеклянную трубочку. Вода частично заполнит трубочку. Отметим уровень жидкости в трубке. Нагревая колбу, мы заметим, что через некоторое время уровень воды в ней повысится.(иллюстрация к опыту)
Значит, при нагревании объем тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.
Попытаемся объяснить, почему происходит изменение объема тела.
По-видимому, все вещества состоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицы удаляются друг от друга, то объем тела увеличиваются. И если частички сближаются, объем тела уменьшается.
Тогда возникает вопрос: если тела состоят из мельчайших частичек, почему они кажутся нам сплошными?
Современная наука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.
Для того, чтобы убедиться в том, что частицы вещества малы, проделаем опыт.
В сосуде с водой растворим маленькую крупинку гуаши. Через некоторое время вода в нем станет синей. Отольем немного воды в другой сосуд и дольем в него чистую воду. Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом. Потом повторим всю операцию, но уже с водой из второго сосуда. В третьем сосуде вода будет окрашена еще слабее чем во втором, и гораздо слабее, чем в первом.
Поскольку в воде растворили очень маленькую крупинку гуаши и только часть ее попала в третий сосуд, можно предположить, что крупинка состояла из большого числа мельчайших частичек, как, впрочем, и вода, в которой растворили гуашь. Это называется диффузией, но об этом позже.
Этот опыт, как и многие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц.
Молекулы. [ править ]
Попытаемся представить себе, каковы размеры молекул.
Если можно было бы уложить в один ряд вплотную друг к другу 10 000 000 (или 10-7 степени) молекул воды, то получилось бы ниточка всего в 2мм. Малый размер молекул позволяет получить тонкие пленки различных веществ. Капля масла, например, может растекаться по воде слоем толщиной всего в 0,000002 м (или 2 · 10-6 степени).
Даже небольшие тела состоят из огромного вещества молекул. Так, например, в крупинке соли или сахара содержится очень большое число молекул. Подсчитано, что в 1 см³ воздуха находится около 27 · 1018 степени молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим следующее. Через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдет через отверстие за время 840 000 лет.
Окружающие нас тела, даже похожие на первый взгляд, будут различны. В природе вы не встретите двух совершенно одинаковых снежинок или песчинок, людей, животных и пр.
Ученые с помощью опытов доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. Например, воду, полученную из сока или молока, нельзя отличить от воды, полученной путем перегонки из морской воды. Молекулы воды одинаковы. Из таких молекул не может состоять никакое другое вещество.
Атомы тоже состоят из более мелких частиц, но об этом вы узнаете в курсе химии 8 класса.
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. [ править ]
Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например, духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов (или нафталина) движутся.
Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время.
Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.
Проделаем опыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении.
Нальем в мензурку (или стакан) немного медного купороса, имеющего темно-голубой цвет. Сверху осторожно добавим чистой воды.
Вначале между водой и медным купоросом будет видна резкая границ, которая через несколько дней станет не такой резкой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой, исчезнет через 2-3 недели. В сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета. Это значит, что жидкости перемешались.
Наблюдаемое явление объясняется тем, что молекулы воды и медного купороса, которые расположены возле границы раздела этих жидкостей, поменялись местами. Граница раздела стала расплывчатой. Молекулы медного купороса оказались в нижнем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой медного купороса.
Если дать мензурке постоять 2-3 недели, то граница между ними будет еще более расплывчатой и постепенно совсем исчезнет. Вся вода окрасится в голубой цвет. Это происходит потому, что молекулы, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему. Жидкость в сосуде становится однородной.
Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.
В твердых телах также происходит диффузия, но только еще медленнее.
Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз. (Пластинку золота, как более тяжелую, располагают внизу.) При комнатной температуре (20°С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1мм. Во всех приведенных опытах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию.
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздух вблизи поверхности Земли. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений и т.д.
Взаимное притяжение и отталкивание молекул. [ править ]
Если все тела состоят из мельчайших частиц (молекул или атомов), почему же твердые и жидкости не распадаются на отдельные молекулы или атомы? Что заставляет их держаться вместе, ведь молекулы разделены между собой промежутками и находятся в непрерывном беспорядочном движении?
Дело в том, что между молекулами существует взаимное притяжение. Каждая молекула притягивает к себе все соседние молекулы и сама притягивается ими.
Когда мы разрываем нить, ломаем палку или отрываем кусочек бумаги, то преодолеваем силы притяжение между молекулами.
Заметить притяжение между двумя молекулами совершенно невозможно. Когда же притягиваются многие миллионы таких частиц, взаимное притяжение становится значительным. Поэтому трудно разорвать руками веревку или стальную проволоку.
Притяжение между молекулами в разных веществах неодинаково. Этим объясняется различная прочность тел. Например, стальная проволока прочнее медной. Это значит, что частицы стали притягиваться друг к другу сильнее, чем частицы меди.
Притяжение между молекулами становится заметным только тогда, когда они находятся очень близко друг к другу. На расстоянии, превышающем размеры самих молекул, притяжение ослабевает. Две капли воды сливаются друг с другом, если они соприкасаются. Два свинцовых цилиндра сцепляются вместе, если их вплотную прижать друг к другу ровными, только что срезанными поверхностями. При этом сцепление может быть настолько прочным, что цилиндры не удается оторвать друг от друга даже при большой нагрузке.
Однако осколки стекла нельзя срастить, даже плотно прижимая их. Из-за неровностей не удается их сблизить на то расстояние, на котором частица могут притянуться друг к другу. Но если размягчить стекло путем нагрева (плавление), то различные части можно сблизить и стекло в этом случае спаивается.
Это значит, что частицы стекла оказались на таком расстоянии, когда действует притяжение между ними.
Соединение кусков металла при сварке или при спайке, а также склеивание основано на притяжении молекул друг к другу.
Следовательно, между двумя молекулами (атомами) существует взаимное притяжение, которое заметно только на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул (атомов).
Тогда попытаемся выяснить, почему между молекулами имеются промежутки. Если молекулы притягиваются друг к другу, то они должны как-то слипнуться. Этого не происходит потому, что между молекулами (атомами) в то же время существует отталкивание.
Многие наблюдаемые явления подтверждают существование отталкивания между молекулами.
Так, например, сжатое тело распрямляется. Это происходит потому, что при сжатии молекулы оказываются на таком расстоянии друг от друга, когда начинает проявляться отталкивание.
Некоторые явление в природе можно объяснить притяжением молекул друг к другу, например смачивание твердого тела жидкостью.
Опыт. К пружине подвешиваем на нитке стеклянную пластинку так, чтобы ее нижняя поверхность была расположена горизонтально. Эту пластинку подносим к сосуду с водой так, чтобы она легла на поверхность воды. При отрывании пластинки от воды, пружинка заметно растянется. Это доказывает существование притяжения между молекулами. По растяжению пружины, можно видеть насколько оно велико. Оторвав пластинку от воды, можно увидеть, что на ней остается тонкий слой воды, т.е. пластинка смочена водой. Значит, при отрывании пластины, мы преодолеваем притяжение между молекулами воды. Разрыв произошел не там, где соприкасаются молекулы воды с частицами стекла, а там, где молекулы воды соприкасаются друг с другом.
Идеальный газ
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Газ: агрегатное состояние
У веществ есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное.
Их характеристики — в таблице:
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
Твердое
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около положения в кристаллической решетке
Жидкое
близко друг к другу
молекулы малоподвижны, при нагревании скорость движения увеличивается
Газообразное
занимает предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Агрегатных состояний точно три?
На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Модель идеального газа
В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.
Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).
В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.
Свойства идеального газа
Среднеквадратичная скорость
Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.
На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.
Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.
Средняя квадратичная скорость
v1, v2, vn — скорости разных молекул [м/с]
N — количество молекул [-]
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Давление идеального газа
Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.
Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.
Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.
Эксперимент
Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.
Зависимость давления от других величин
Зависимость давления от объема
В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.
Давление
p = F/S
F — сила [Н]
S — площадь [м2]
То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.
Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.
Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.
При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):
Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:
Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.
Зависимость давления от температуры
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.
В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.
Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.
Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.
С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:
Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.
Основное уравнение МКТ
Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.
Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.
Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.
Основное уравнение МКТ
p = nkT
p — давление газа [Па]
T — температура газа [К]
m 0 — масса одной молекулы [кг]
v — средняя квадратичная скорость [м/с]
Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.
Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v2, а вместо v— и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.
Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:
Кинетическая энергия
Ек = mv 2 /2
Ек — кинетическая энергия [Дж]
m — масса тела [кг]
v — скорость [м/с]
Для молекулы газа формула примет вид:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы
Ек — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]
m0 — масса молекулы [кг]
v — скорость молекулы [м/с]
Из этой формулы можно выразить m0v 2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.
Основное уравнение МКТ
p — давление газа [Па]
n — концентрация [м-3]
E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]
Хранение и транспортировка газов
Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.
Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.
Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.