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, по 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 поверхность, тем большее давление будет она испытывать. Кроме того, давление зависит от скорости, с которой ударяются о поверхность молекулы газа. Чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее они ударяются о стенку и тем больше будет производимое ими давление.
А что же происходит при сжатии газа?
Уменьшив объём, занимаемый газом, в два раза, мы тем самым в два раза увеличим число молекул в каждом кубическом сантиметре, а значит, в два раза увеличим число ударов о стенки сосуда в каждую секунду.
Если сжимать газ при постоянной температуре, то скорость молекул не изменяется; они будут ударять о стенки с прежней силой, только чаще. Так, в нашем примере молекулы будут ударять о стенки в два раза чаще, и значит, в два раза возрастёт давление газа.
При очень быстром сжатии газ может сильно нагреваться. Кто знаком с работой дизельного мотора, тот знает, что в цилиндрах этой машины нет никаких "свечей" или других средств зажигания. Поршень, двигаясь внутрь цилиндра, заполненного горючей смесью, сообщает её молекулам такую скорость, что смесь разогревается до температуры вспышки. Воспламенившись, смесь быстро сгорает. Температура продуктов горения поднимается при этом ещё 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. Вторая 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 растёт 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 её 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".
8. Жидкие газы
Вы уже знаете, что движение молекул жидкости напоминает движение молекул газа. Разница между газом и жидкостью заключается, повидимому, только в том, что в газе молекулам предоставлено гораздо больше места, чем в жидкости. 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 учёных. Более ста лет тому назад, в 1823 году, этим вопросом заинтересовался молодой английский физик М. Фарадей. Он производил много опытов, настойчиво пытаясь найти ответ на интересующий его вопрос.
Однажды, когда он ставил очередной опыт, пытаясь превратить в жидкость удушающий газ хлор, в лабораторию вошёл его руководитель. Вместе с ним зашёл его приятель. Последний, заметив на стенках прибора маслянистую жидкость и думая, что прибор загрязнён каким-то маслом по небрежности Фарадея, сделал учёному замечание. На следующее утро почтальон принёс 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 обсуждении 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 движутся быстро, превратить в жидкость многие газы.
Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.