§ 27. Свойства газов

Определения и обозначения

Газ — состояние вещества, в котором частицы свободно движутся и не сохраняют постоянного расположения. Они разлетаются в разные стороны и могут перемещаться по всему сосуду. Это помогает понять, почему газу не нужна заданная форма и почему он распространяется в доступное пространство.

Сжимаемость газа — способность газа заметно уменьшаться в объёме под действием сжатия. Между его частицами есть большие промежутки, поэтому при сближении частиц объём газа может сильно измениться. Это свойство позволяет хранить газ под давлением, например в баллонах.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Частицы не стоят на месте, поэтому постепенно перемешиваются даже без перемешивания ложкой или вентилятором. Диффузия объясняет, как запахи и другие вещества распространяются в воздухе.

Давление газа возникает из-за ударов движущихся частиц о стенки сосуда. Отдельные удары очень малы, но их огромное количество создаёт заметное действие на стенку. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему надутый шар сохраняет форму и почему газ может давить на поршень.

Как это устроено

У газа нет собственной формы, потому что его частицы не связаны так, чтобы удерживаться в определённых местах. Каждая частица движется независимо и меняет направление при столкновениях с другими частицами. Поэтому газ принимает форму сосуда, но не остаётся собранным в одной его части. Движение приводит к тому, что частицы постепенно распространяются по всему доступному пространству.

Частицы газа движутся беспорядочно и постоянно сталкиваются со стенками сосуда. При каждом столкновении они передают стенке часть своего движения, то есть действуют на неё. Огромное число ударов за короткое время складывается в давление. Частицы летят в разные стороны, поэтому удары происходят по стенкам с разных сторон, а давление действует во всех направлениях, а не только вниз.

В газе расстояния между частицами велики по сравнению с размерами самих частиц. Когда газ сжимают, частицы не становятся меньше: уменьшаются промежутки между ними, и газ занимает меньший объём. Если предоставить газу больше места, частицы разлетаются дальше и газ расширяется. По этой причине газ можно сжать гораздо заметнее, чем жидкость, где частицы расположены близко друг к другу.

Диффузия в газах происходит, потому что частицы обоих веществ непрерывно движутся и перемешиваются. Например, частицы пахучего вещества постепенно оказываются среди частиц воздуха всё дальше от источника. В жидкостях частицы тоже движутся, но они расположены ближе и перемещаются менее свободно. Поэтому взаимное проникновение веществ в газах обычно происходит быстрее, чем в жидкостях.

При нагревании частицы газа начинают двигаться быстрее. Если газ может свободно менять занимаемый объём, его частицы распространяются дальше друг от друга, и газ расширяется. При этом увеличиваются расстояния между частицами, а не размеры самих частиц. Если объём ограничен неподвижными стенками, газ не может расширить сосуд, поэтому нагревание влияет на давление.

Основные свойства газов и их объяснение

Сопоставляй проявление свойства с объяснением: так легче увидеть, как наблюдаемый результат связан с движением частиц. Например, заполнение сосуда и отсутствие собственной формы объясняются свободным движением. Для сжатия и давления действуют разные причины: большие промежутки между частицами и их удары о стенки.

Разбор задач

Задача 1. Почему запах духов постепенно распространяется по всей комнате, даже если флакон открыт в одном её углу? Нужно связать наблюдение с движением частиц, а не только с перемещением воздуха. Запах распространяется благодаря диффузии частиц пахучего вещества среди частиц воздуха.

1. После открытия флакона частицы пахучего вещества попадают в воздух.
2. Частицы воздуха и пахучего вещества непрерывно и хаотически движутся, сталкиваются и меняют направления.
3. Из-за такого движения частицы пахучего вещества постепенно оказываются в разных местах комнаты.

Ответ: запах распространяется по комнате вследствие диффузии — взаимного проникновения движущихся частиц.

Задача 2. Газ занимает объём 6 л. Его сжали в закрытом сосуде до 2 л. Во сколько раз уменьшился объём и какое свойство газа проявилось? Чтобы найти, во сколько раз изменился объём, начальное значение нужно разделить на конечное. Затем результат связывают с тем, что при сжатии расстояния между частицами уменьшаются.

1. Записываем начальный объём: 6 л, а конечный: 2 л.
2. Делим начальный объём на конечный: 6 : 2 = 3.
3. Значит, объём стал в 3 раза меньше; это показывает, что газ можно заметно сжать.

Ответ: объём уменьшился в 3 раза, проявилась сжимаемость газа.

Задача 3. Воздух заперт в цилиндре с подвижным поршнем. Поршень опустили, а затем нагрели газ, не закрепляя поршень. Как изменятся объём газа и давление на стенки? Рассмотрим события по порядку: сначала механическое сжатие, затем нагревание при возможности поршня двигаться. Поскольку поршень свободен, газ может изменить занимаемый объём.

1. Когда поршень опускают, воздух сжимается: его объём уменьшается, а частицы оказываются ближе друг к другу.
2. При нагревании частицы начинают двигаться быстрее и сильнее воздействуют на поршень.
3. Подвижный поршень может подняться, поэтому нагретый газ расширится. После перемещения поршня давление не обязательно продолжит расти: часть изменения проявится в увеличении объёма.

Ответ: при опускании поршня объём уменьшается; при последующем нагревании газ расширяется и сдвигает поршень. Давление может измениться во время этих процессов, но без дополнительных условий его точное значение определить нельзя.

Типичные ошибки

• Считать, что газ имеет собственный объём, как твёрдое тело, — неверно: газ обычно занимает весь доступный объём сосуда. Так думают, потому что газ невидим и кажется, будто он сосредоточен только там, где его заметнее. Проверь себя: если газ может свободно перемещаться, со временем он распределится по всему сосуду.

• Путать расширение с увеличением размеров частиц — ошибка, потому что при расширении меняются расстояния между ними. Частицы не раздуваются при нагревании; это представление возникает из-за того, что тело в целом становится больше. Проверь объяснение вопросом: что именно увеличивается — частица или промежутки между частицами?

• Полагать, что газ давит только вниз, — неверно: движущиеся частицы ударяются о стенки сосуда в разных направлениях. Такое заблуждение может возникнуть из-за привычного наблюдения, что предметы падают вниз под действием тяжести. Проверь себя на надутом шаре: его стенки растянуты со всех сторон.

• Объяснять диффузию только потоками воздуха — неполно: её основа в непрерывном хаотическом движении частиц. Потоки могут ускорить перемешивание, поэтому их легко принять за единственную причину распространения запаха. Чтобы проверить себя, представь неподвижный воздух: частицы всё равно движутся и постепенно перемешиваются.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства газа, нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Эти представления помогают объяснить и давление, и расширение, и диффузию, не ограничиваясь наблюдением за внешним видом вещества. Также пригодятся знания о давлении и его действии на поверхности: удары частиц показывают, откуда оно возникает. Позже эти свойства помогут разобраться в атмосферном давлении и тепловых явлениях.

Что запомнить

• Газ не сохраняет собственную форму.
• Газ занимает весь объём сосуда.
• Газ легко сжимается и расширяется.
• Частицы газа непрерывно и хаотически движутся.
• Удары частиц о стенки создают давление газа.
• Диффузия в газах происходит благодаря движению частиц.