Кинетическая теория га­зов

В настоящее время закон Авогадро может быть выведен теоретически из так называемой кинетической теории газов. Не приводя здесь этого вывода, кото­рый можно найти в любом курсе физики, укажем лишь, в чем за­ключается сущность этой теории, прекрасно объясняющей многие свойства газообразных веществ.

Одним из наиболее замечатель­ных свойств газов является их легкая сжимаемость. Всякий газ может быть сжат в очень сильно, ударяются о стенки цилиндра и о поршень. Положим, что в секунду поршень получает 500 ударов.

Если мы вдвинем пор­шень до половины цилиндра, то тем самым мы уменьшим вдвое пространство, занимаемое молекулами. Теперь в единице объема будет вдвое больше молекул; поэтому поршень получит в секунду не 500, а 1000 ударов; следовательно, давление увеличится вдвое.

Если бы мы уменьшили объем в три раза, то, рассуждая так же, пришли бы к заключению, что давление должно увеличиться втрое, и т. д. Таким образом, становится понятным эксперимен­тально найденный закон Бойля—Мариотта, согласно которому дав­ление данной массы газа при неизменной температуре обратно пропорционально занимаемому газом объему.

Рис. Прибор для де­монстрации различия ско­рости движения молекул разных газов

При нагревании газа скорость движения молекул увеличи­вается, а следовательно, увеличивается и их кинетическая энергия, равная половине произведения массы на квадрат скорости. По­этому сила ударов молекул о стенки сосуда становится больше и давление газа возрастает.
Один из основных выводов кинетической теории гласит, что

молекулы всех газов при одной и той же температуре обладают одинаковой средней кинетической энергией.

Это значит, что с из­менением массы молекулы скорость ее изменяется так, что про­изведение массы на квадрат скорости остается постоянным. По­этому давление газа при данной температуре, обусловленное ударами его молекул, зависит только от числа молекул в единице объема газа, но не зависит от массы молекул, т. е. от природы газа.

Если обозначить массы молекул двух газов через т₁ и т₂ а средние скорости их соответственно через υ₁ и υ₂ то на основа­нии предыдущего можно написать:

откуда

т. е. средние скорости молекул обратно пропорциональны корням квадратным из их молекулярных весов.
Кинетическая теория позволяет вычислить среднюю скорость движения молекул. Эта скорость оказывается очень большой и различной для разных газов. Так, при 0° молекула водорода дви­жется в среднем со скоростью 1695 м/сек, молекула кислорода со скоростью 430 м/сек и т. д.

В неодинаковой скорости движения молекул различных газов можно убедиться, проделав следующий опыт. Возьмем пористый глиняный цилиндр и плотно закроем его пробкой, через которую проходит стеклянная трубка, соединяющая цилиндр с двугорлой склянкой (рис.).

В другое горлышко склянки вставим стеклянную трубку, доходящую до дна склянки, и нальем в склянку воды. Если на пористый цилиндр надвинуть стакан, предварительно на­полненный водородом, то немедленно же начнется диффузия водорода в воздух и воздуха в водород.

Но молекулы водорода, бла­годаря большей скорости движения, быстрее проникают внутрь цилиндра, чем оттуда уходят более тяжелые молекулы кислорода и азота. В результате давление внутри цилиндра и двугорлой склянки повы­шается и вода начинает бить из склянки фонтаном (см. рис.).