Физика для всех. Молекулы - Лев Ландау

Каждая молекула газа находится в состоянии непрерывного теплового движения.

Проследим за одной молекулой. Вот она стремительно движется куда-то вправо. Если бы на ее пути не встретилось препятствий, то молекула с той же скоростью продолжала бы свое движение по прямой линии. Но путь молекулы пересекают ее бесчисленные соседи. Столкновения неминуемы, и молекулы разлетаются, как два столкнувшихся биллиардных шара. В какую сторону отскочит наша молекула? Приобретет или потеряет она свою скорость? Все возможно: ведь встречи могут быть самые различные. Удары возможны и спереди и сзади, и справа и слева, и сильные и слабые. Ясно, что, подвергаясь таким беспорядочным соударениям при этих случайных встречах, молекула, за которой мы наблюдаем, будет метаться во все стороны по сосуду, в котором заключен газ.

Какой путь удается молекулам газа пробежать без столкновения?

Он зависит от размеров молекул и от плотности газа. Чем больше размеры молекул и число их в сосуде, тем чаще они будут сталкиваться. Средняя длина пути, пробегаемого молекулой без соударения,- она называется средней длиной пробега - равна при обычных условиях 11*10-6 см = 1100 Å для молекул водорода и 5*10-6 см=500 Å для молекул кислорода. 5*10-6 см - двадцатитысячная доля миллиметра, расстояние очень малое, но по сравнению с размерами молекул оно далеко не мало. Пробегу 5*10-6 см для молекулы кислорода соответствует в масштабе у биллиардного шара расстояние в 10 м.

Стоит обратить внимание на особенности движения молекул в сильно разреженном газе (вакууме). Движение молекул, "образующих вакуум", меняет свой характер, когда длина свободного пробега молекулы становится больше размеров сосуда, в котором находится газ. Тогда молекулы редко сталкиваются между собой и совершают свое путешествие прямыми зигзагами, ударяясь то об одну, то о другую стенку сосуда.

Как только что было сказано, в воздухе при атмосферном давлении длина пробега равна 5*10-6 см. Если увеличить ее в 107 раз, то она составит 50 см, т. е. будет заметно больше среднего по размерам сосуда. Поскольку длина пробега обратно пропорциональна плотности, а следовательно, и давлению, то давление для этого должно составлять 10-7 атмосферного или примерно 10-4 мм рт. ст.

Даже межпланетное пространство не является совсем Пустым. Но плотность вещества в нем составляет около 5*10-24г/см3. Основная доля межпланетного вещества - атомарный водород. В настоящее время считается, что в космосе приходится но нескольку атомов водорода на 1 см3. Если увеличить молекулу водорода до размеров горошины и поместить такую "молекулу" в Москве, то ее ближайшая "космическая соседка" окажется в Туле.

Строение жидкости существенно отличается от строения газа, молекулы которого находятся далеко одна от другой и лишь изредка сталкиваются. В. жидкости молекулы постоянно находятся в непосредственной близости. Молекулы жидкости расположены, как картофелины в мешке. Правда, с одним отличием: молекулы жидкости находятся в состоянии непрерывного хаотического теплового движения. Из-за большой тесноты они не могут передвигаться так свободно, как молекулы газа. Каждая "топчется" все время почти на одном и том же месте в окружении одних и тех же соседей и только понемногу перемещается по объему, занятому жидкостью. Чем более вязкая жидкость, тем это перемещение медленней. Но даже в такой "подвижной" жидкости, как вода, молекула сместится на 3 Å за то время, которое нужно газовой молекуле для пробега в 700 Å.

Совсем решительно расправляются силы взаимодействия между молекулами с их тепловым движением в твердых телах. В твердом вещества молекулы практически все время находятся в неизменном положении. Тепловое движение сказывается только в том, что молекулы непрерывно колеблются около положений равновесия. Отсутствие систематических перемещений молекул и есть причина того, что мы называем твердостью. Действительно, если молекулы не меняют соседей, то тем более остаются в неизменной связи одна с другой отдельные части тела.

Сжимаемость тел

Как дождевые капли барабанят по крыше, так бьются о стенки сосуда молекулы газа. Число этих ударов огромно, и действие их, сливаясь воедино, и создает то давление, которое может двигать поршень двигателя, разорвать снаряд или надуть воздушный шар. Град молекулярных ударов - это атмосферное давление, это давление, заставляющее прыгать крышку кипящего чайника, это сила, выбрасывающая пулю из винтовки.

С чем же связано давление газа? Ясно, что давление будет тем больше, чем сильнее удар, наносимый одной молекулой. Не менее очевидно, что давление будет зависеть от числа ударов, наносимых в секунду. Чем больше молекул в сосуде, тем чаще удары, тем больше давление. Значит, прежде всего давление р данного газа пропорционально его плотности.

Если масса газа неизменна, то, уменьшая объем, мы в соответствующее число раз увеличиваем плотность. Значит, давление газа в таком закрытом сосуде будет обратно пропорционально объему. Или, иными словами, произведение давления на объем должно быть неизменным:

ρV = const.

Этот простой закон был открыт английским физиком Бойлем и французским ученым Мариоттом. Закон Бойля - Мариотта - один из первых количественных законов в истории физической науки. Разумеется, он имеет место при неизменной температуре.

По мере сжатия газа уравнение Бойля - Мариотта выполняется все хуже. Молекулы приближаются, взаимодействие между ними начинает сказываться на поведении газа.

Закон Бойля - Мариотта справедлив в тех случаях, когда вмешательство сил взаимодействия в жизнь молекул газа совершенно незаметно. Поэтому о законе Бойля - Мариотта говорят как о законе идеальных газов.

Прилагательное "идеальный" звучит несколько забавно по отношению к слову "газ". Идеальный - это значит совершенный, такой, что лучше быть не может.

Чем проще модель или схема, тем идеальнее она для физика. Упрощаются расчеты, легкими и ясными становятся объяснения физических явлений. Термин "идеальный газ" относится к простейшей схеме газа. Поведение достаточно разреженных газов практически неотличимо от поведения идеальных газов.

Сжимаемость жидкостей гораздо меньше, чем сжимаемость газов. В жидкости молекулы уже находятся в "соприкосновении". Сжатие состоит лишь в улучшении "упаковки" молекул, а при очень больших давлениях - в спрессовке самой молекулы. Насколько силы отталкивания затрудняют сжатие жидкости, видно из следующих цифр. Повышение давления от одной до двух атмосфер влечет за собой уменьшение объема газа вдвое, в то время как объем воды изменяется на 1/20 000, а ртути - всего на 1/250 000.

Даже огромное давление на глубинах океана неспособно сколько-нибудь заметно сжать воду. Действительно, давление в одну атмосферу создается столбом воды в десять метров. Давление под слоем воды в 10 км равно 1000 атмосфер. Объем воды уменьшается на 1000/20 000, т. е. на 1/20.

Сжимаемость твердых тел мало отличается от сжимаемости жидкости. Это и понятно - в обоих случаях молекулы уже соприкасаются, и сжатие может быть достигнуто лишь за счет дальнейшего сближения уже сильно отталкивающихся молекул. Сверхвысокими давлениями в 50-100 тысяч атмосфер удается сжать сталь на 1/1000, свинец - на 1/7 долю объема.

Из этих примеров видно, что в земных условиях не удается сколько-нибудь значительно сжать твердое вещество.

Но во Вселенной есть тела, где вещество сжато несравненно сильнее. Астрономы открыли существование звезд, плотность вещества в которых доходит до 106г/см3. Внутри этих звезд - их называют белыми карликами ("белые" - по характеру светимости "карлики" - из-за относительно малых размеров) - должно поэтому иметь место огромное давление.

Поверхностные силы

Можно ли выйти сухим из воды? Конечно, для этого нужно смазаться несмачивающимся водой веществом.

Натрите палец парафином и опустите в воду. Когда вы его вынете, окажется, что воды на пальце нет, если не считать двух-трех капелек. Небольшое движение - и капельки стряхиваются.

В этом случае говорят: вода не смачивает парафин. Ртуть ведет себя таким образом по отношению почти ко всем твердым телам: ртуть не смачивает кожу, стекло, дерево...

Вода более капризна. Она тесно льнет к одним телам и старается не соприкасаться с другими. Вода не смачивает жирные поверхности, но хорошо смачивает чистое стекло. Вода смачивает дерево, бумагу, шерсть.

Если капельку воды нанести на чистое стекло, то она растечется и образует очень тонкую лужицу. Если такую же капельку опустить на парафин, то она так и останется капелькой почти сферической формы, чуть придавленной силой тяжести.

К веществам, "пристающим" почти ко всем телам, относится керосин. Стремясь растечься по стеклу или металлу,; керосин способен выползать из плохо закрытого сосуда. Лужица пролитого керосина может на долгое время отравить существование: керосин захватит большую поверхность, заползет в щели, проникнет в одежду. Поэтому так трудно избавиться от его малоприятного запаха.