§ 15. Свойства газов

Определения и обозначения

Газ — агрегатное состояние вещества, в котором частицы хаотично движутся и находятся на значительных расстояниях друг от друга. Это определение связывает наблюдаемое поведение газа с его строением. Оно помогает объяснить, почему газ ведёт себя иначе, чем твёрдое тело или жидкость.

Сжимаемость газа — способность газа значительно уменьшать объём под действием внешнего давления. При обычном сжатии размеры самих молекул почти не меняются, зато сокращаются промежутки между ними. Понятие сжимаемости используют, когда объясняют работу шприца, насоса или другого устройства, в котором газ помещают в меньший объём.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их теплового движения. Например, аромат духов постепенно смешивается с воздухом без специального перемешивания. Это понятие показывает, что молекулы движутся даже тогда, когда вещество кажется неподвижным.

Давление газа — результат ударов движущихся молекул о стенки сосуда; оно характеризуется силой, действующей на единицу площади. Давление обозначают p и находят по формуле p = F/S, где F — сила, а S — площадь. Такое определение позволяет отличить давление от общей силы: одна и та же сила на меньшей площади создаёт большее давление.

Как это устроено

Газ не сохраняет собственные форму и объём, потому что его молекулы не закреплены около определённых положений и слабо удерживают друг друга. Между столкновениями они движутся по всему доступному пространству, сталкиваясь между собой и со стенками. Поэтому газ постепенно распределяется по всему сосуду, а его форма определяется стенками сосуда. Если открыть сосуд, молекулы могут распространиться и за его пределы.

Газ легко сжимается, поскольку расстояния между его молекулами намного больше размеров самих молекул. Когда поршень давит на газ, молекулы сближаются, а объём занимаемого ими пространства уменьшается. При этом не нужно заметно деформировать каждую молекулу: достаточно сократить промежутки между ними. Именно поэтому газ можно сильно сжать, тогда как жидкость, частицы которой расположены близко, сжимается гораздо слабее.

Газы быстро распространяются и смешиваются благодаря непрерывному хаотическому тепловому движению молекул. Молекула запаха перемещается между молекулами воздуха, сталкивается с ними и меняет направление; множество таких перемещений приводит к распространению запаха по комнате. Для диффузии не требуется намеренно перемешивать вещества. Нагревание обычно ускоряет процесс, так как молекулы движутся интенсивнее и быстрее преодолевают расстояние.

Молекулы газа многократно ударяются о стенки сосуда и при каждом столкновении передают им импульс. Отдельный удар кратковременен, но суммарное действие множества ударов за время создаёт силу, распределённую по стенке. Если эту силу отнести к площади участка, получится давление газа. Чем больше молекул ударяется о единицу площади за одинаковое время и чем сильнее их удары, тем заметнее давление.

Давление зависит от температуры и объёма, потому что оба условия влияют на столкновения молекул со стенками. При нагревании молекулы движутся быстрее, поэтому удары становятся сильнее; в закрытом сосуде постоянного объёма давление обычно растёт. Если объём уменьшить, молекулам приходится чаще достигать стенок, и число ударов на единицу площади за время увеличивается. Для точного количественного описания этих зависимостей используют законы и модели молекулярно-кинетической теории.

Основные свойства газов и их молекулярное объяснение

Используйте таблицу, чтобы связать наблюдаемое явление с движением и расположением молекул, а затем увидеть, где это свойство применяется. Если нужно объяснить незнакомый пример, сначала определите, что именно наблюдается, и найдите соответствующую строку. Практическое значение помогает понять, зачем свойства газов изучают не только в теории.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему воздух из шприца можно сжать, если закрыть отверстие, но воду сжать почти невозможно. Важно сравнить не число частиц, а расстояния между ними. В газе свободного пространства между молекулами много, а в жидкости частицы расположены близко друг к другу.

1. Закрытое отверстие не позволяет воздуху выйти из шприца, поэтому при нажатии поршня уменьшается именно занимаемый газом объём.
2. При сжатии молекулы воздуха сближаются, потому что между ними есть большие промежутки. Их собственные размеры при этом практически не меняются.
3. Вода уже состоит из близко расположенных частиц, поэтому значительно сократить расстояния между ними трудно.

Ответ: воздух сжимается за счёт уменьшения промежутков между молекулами, а воду сжать почти невозможно, потому что её частицы уже находятся близко.

Задача 2. Почему запах духов распространяется по комнате даже при неподвижном воздухе и как изменится скорость распространения при нагревании? Здесь нужно вспомнить диффузию — самопроизвольное смешивание веществ из-за движения частиц. Слово «неподвижный» означает отсутствие заметного общего потока воздуха, но не остановку молекул.

1. Молекулы испаряющихся духов хаотично движутся и сталкиваются с молекулами воздуха.
2. В результате многочисленных перемещений частицы духов попадают в разные части комнаты и смешиваются с воздухом.
3. При нагревании тепловое движение становится интенсивнее, поэтому диффузия обычно идёт быстрее.

Ответ: запах распространяется вследствие диффузии; при нагревании скорость распространения обычно возрастает.

Задача 3. На поршень площадью 20 см² действует сила давления газа 120 Н. Найти давление. Давление равно силе, приходящейся на единицу площади, поэтому используем формулу p = F/S. Перед подстановкой площадь обязательно переводим в квадратные метры, чтобы получить давление в паскалях.

1. Переводим площадь: 1 см² = 0,0001 м², поэтому S = 20 см² = 0,002 м².
2. Подставляем данные в формулу: p = 120 Н / 0,002 м².
3. Вычисляем: p = 60 000 Па, или 6 × 10⁴ Па. Проверяем размерность: Н/м² — это паскаль.

Ответ: давление газа на поршень равно 60 000 Па.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы газа неподвижны и начинают двигаться только при нагревании. Так могут решить, потому что нагревание заметно ускоряет движение, а в покоящемся воздухе его не видно. Но тепловое движение существует при любой температуре выше абсолютного нуля. Проверка: если газ имеет температуру выше абсолютного нуля, молекулы не следует изображать неподвижными.

Ошибка: объяснять давление газа только его весом. Вес газа может иметь значение в некоторых ситуациях, например при рассмотрении атмосферы, но в замкнутом сосуде давление возникает главным образом из-за ударов молекул о стенки. Проверка: спросите себя, будет ли газ давить на стенки при невесомости; молекулярные удары сохранятся. Значит, вес не является основной причиной такого давления.

Ошибка: думать, что газ сжимается за счёт уменьшения размеров молекул. Это объяснение кажется правдоподобным, если представить частицы мягкими шариками, которые деформируются под нажимом. При обычном сжатии молекулы практически сохраняют размеры, а уменьшаются расстояния между ними. Проверка: сопоставьте размеры частиц и промежутки между ними — именно промежутки в газе велики.

Ошибка: считать, что диффузия возможна только при перемешивании. Перемешивание ускоряет распространение вещества, поэтому его легко принять за обязательное условие. Но диффузия происходит сама благодаря хаотическому тепловому движению частиц. Проверка: вспомните запах, который распространяется по комнате без вентилятора или другого заметного потока воздуха.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств газов нужны знания о строении вещества, тепловом движении и взаимодействии молекул. При решении задач на давление понадобятся единицы измерения силы, площади и давления, а также формула p = F/S. Свойства газов становятся основой для дальнейшего изучения молекулярно-кинетической теории и уравнения состояния идеального газа. Они применяются при объяснении работы насосов, двигателей, пневматических устройств и атмосферных явлений.

Что запомнить

• Газ не имеет собственной формы и занимает весь доступный объём.
• Большие расстояния между молекулами объясняют высокую сжимаемость газа.
• Молекулы газа находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Диффузия является следствием теплового движения частиц.
• Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда.
• При нагревании движение молекул становится более быстрым.
• Давление определяется силой, действующей на единицу площади: p = F/S.