Страница 122 — Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов. §…

Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении и свободно перемещаются по всему объёму сосуда. Они сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Удар одной молекулы ничтожно мал, но молекул очень много, и они очень часто ударяются о стенку. Суммарное действие этих ударов создаёт силу, действующую на стенку перпендикулярно ей, а сила, делённая на площадь стенки, и есть давление. Таким образом, давление газа на стенки сосуда или на тело, помещённое в газ, создаётся ударами молекул газа.

Один из таких опытов выполняют со шприцем без иглы. Втянем в шприц воздух и закроем отверстие пальцем. Если вдвигать поршень, то воздух сжимается и палец сильнее давит на отверстие: чувствуется «выталкивание» воздуха, поршень приходится удерживать с усилием; при отпускании поршня воздух отталкивает его назад. Значит, воздух давит на стенки шприца, на поршень и на палец. Другой опыт: надутый резиновый шарик принимает форму шара, и его оболочка растянута изнутри. Это показывает, что газ давит на стенки сосуда, причём одинаково во все стороны. Объяснение: давление создают удары молекул газа о стенки.

Опыт доказывает, что газ давит одинаково по всем направлениям. Объяснение. Под колоколом находится завязанный шарик с небольшим количеством воздуха. Пока воздух не откачан, число ударов молекул воздуха о шарик снаружи и изнутри почти одинаково (давление равно атмосферному). Когда насос откачивает воздух из-под колокола, молекул снаружи шарика становится меньше, число и сила ударов снаружи уменьшаются. Число молекул внутри шарика не меняется, и число их ударов изнутри остаётся прежним. Давление изнутри становится больше, чем снаружи, и шарик раздувается во все стороны примерно в форме шара, что показывает одинаковость давления газа по всем направлениям.

Если объём газа данной массы уменьшить (при неизменной температуре), то число молекул остаётся прежним, а приходится их на единицу объёма больше. Молекулы чаще ударяются о стенки сосуда, суммарная сила ударов на единицу площади растёт, и давление газа увеличивается. При увеличении объёма газа той же массы молекул на единицу объёма становится меньше, они реже ударяют о стенки, и давление уменьшается. Вывод: чем меньше объём газа данной массы, тем больше его давление, и наоборот (при постоянной температуре).

При нагревании средняя скорость движения молекул воздуха возрастает. Поэтому, во-первых, каждая молекула ударяет о стенку сильнее; во-вторых, быстрые молекулы чаще достигают стенок и ударяют о них чаще. Объём сосуда и число молекул остаются прежними, но сила удара и число ударов в единицу времени растут. Суммарная сила, действующая на единицу площади стенки, возрастает, поэтому давление газа в закрытом сосуде при нагревании увеличивается.

При сжатии газа его объём уменьшается, а давление сильно возрастает: молекул в единице объёма много, они очень часто и сильно ударяют о стенки. Например, пропан в баллоне хранится при давлении около 1,5 МПа, то есть в 15 раз больше атмосферного. Такое давление создаёт большие силы, действующие на стенки баллона, поэтому слабый сосуд разорвался бы. Стальные баллоны с толстыми прочными стенками выдерживают это давление. Кроме того, давление газа передаётся на стенки одинаково во все стороны, и форма баллона делает нагрузку равномерной, а при нагревании давление растёт ещё больше, поэтому запас прочности нужен всегда.

Ход опыта. 1. Берём пустую бутылку объёмом 0,5 л, в которой находится воздух комнатной температуры (около 20 °C), и плотно закручиваем крышку. 2. Кладём бутылку в морозильную камеру (около –18 °C) на 1 час. 3. Достаём бутылку и фотографируем её.
Наблюдение. Стенки бутылки сморщены, бутылка сплющена, на ней видны вмятины (особенно заметно у тонкой бутылки). Если бутылку согреть в руках, она постепенно расправляется, иногда с щелчком.
Объяснение. Бутылка закрыта, поэтому масса воздуха в ней не меняется. При охлаждении средняя скорость молекул воздуха уменьшается: они реже и слабее ударяют о стенки бутылки изнутри, и давление воздуха внутри падает. Снаружи на бутылку действует атмосферное давление, которое остаётся прежним, поэтому оно становится больше внутреннего. Разность давлений сминает тонкие стенки внутрь. При нагревании давление внутри возрастает, и бутылка расправляется.
Оговорка: степень смятия зависит от бутылки, плотности закручивания крышки и времени охлаждения.