7. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ

Атомно-молекулярные представления дают возможность объяснить многие свойства газов и, в частности, установить связь, существующую между объемом, занимаемым газом, его температурой и давлением, т. е. найти уравнение состояния газа. Это удается сделать в результате детального анализа поведения отдельных молекул. При подобном анализе предполагается, что движение частиц вещества — молекул и атомов — подчиняется законам классической механики. Созданная таким образом теория называется молекулярно-кинетической теорией газов.

Молекулярно-кинетическая теория газов основывается на небольшом числе весьма общих положений, важнейшие из которых указаны ниже:

1. Вещество состоит из мельчайших частиц, атомов или молекул, находящихся в непрерывном движении.

2. В любом, даже очень малом, объеме газа, к которому еще применимы выводы молекулярно-кинетической теории, число молекул очень велико. В обычных условиях второе предположение полностью выполняется. При нуле градуссь и атмосферном давлении, или, как говорят, при нормальных условиях, в одном кубическом миллиметре воздуха или какого-либо другого газа содержится около молекул, так что в объеме, составляющем одну миллионную часть кубического миллиметра, содержится еще около молекул. Этот пример показывает, что даже в объеме, который можно рассматривать как дифференциально малый по сравнению с объемом сосуда, содержащего газ, находится очень большое количество молекул.

3. Размеры молекул малы по сравнению с расстояниями между ними. Простой расчет показывает, что и это предположение выполняется, если только газ не сильно сжат. В самом деле, в настоящее время известно, что диаметры молекул большинства газов заключены в пределах от до метра, в то же время при нормальных условиях расстояние

между молекулами в газе составляет приблизительно метра, т. е. в десять раз превосходит молекулярный диаметр.

4. Молекулы взаимодействуют со своими соседями только в момент соударения, в остальное же время силами взаимодействия между ними можно пренебречь. Соударения молекул со стенками сосуда, так же как и между собой, являются абсолютно упругими, т. е. при соударениях кинетическая энергия не превращается в другие виды энергии. Справедливость последних предположений подтвердить не так легко, как это было в случае первых двух. Как косвенное подтверждение их справедливости можно рассматривать согласие с опытом выводов теории, построенной на их основании.

5. При отсутствии внешних сил молекулы газа распределяются равномерно по всему объему, занятому газом, и поэтому для любого, даже дифференциально малого, объема газа число заключенных в нем молекул можно определить, умножив соответствующий объем на молекулярную плотность, т. е. на число молекул в 1 кубическом метре:

6. Направления скоростей молекул распределены хаотично, т. е. в газе отсутствуют какие-либо избирательные направления движения молекул. Другими словами, все направления движения молекул равновероятны. По абсолютной величине скорости движения молекул могут изменяться от величин бесконечно малых до величин бесконечно больших. Первая часть последнего предположения вытекает непосредственно из гипотезы молекулярного хаоса (беспорядочного движения молекул) и не нуждается в особом обсуждении. В отношении же второй части следует сказать, что строго говоря, скорость движения молекулы не может быть бесконечно велика, поскольку подобная молекула должна была бы обладать бесконечно большой кинетической энергией, что противоречит закону сохранения энергии. Однако при обсуждении ряда вопросов, как это будет ясно из дальнейшего, характер распределения скоростей молекул по абсолютной величине не будет играть по существу никакой роли. Позднее вопрос о распределении молекулярных скоростей будет рассмотрен детально.