Известно, что все вещества состоят из молекул, между которыми есть расстояния. Межмолекулярные расстояния в газах настолько велики, что молекулы газа практически не взаимодействуют друг с другом, поэтому газы обладают способностью занимать весь предоставленный объем. Например, стальной баллон для хранения газов, камера автомобильной шины или волейбольный мяч. При этом газ оказывает давление на стенки, дно и крышку баллона, камеры или любого другого тела, в котором он находится. Чем же определяется давление газов?

Для молекул веществ характерно беспорядочное движение. В отличие от твердых тел, в которых молекулы могут совершать только колебательное движение около точек равновесия, молекулы газов движутся беспорядочно в самых разных направлениях. При своем движении они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул огромное количество, и число их ударов о стенки очень велико. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа.

Итак, давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.

Рассмотрим следующий опыт.

Существует специальный прибор, который позволяет изменять плотность воздуха. Это воздушный насос, соединенный с прочным стеклянным герметично закрытым сосудом. Для примера возьмем завязанный воздушный шарик с небольшим количеством воздуха (рис. «а»), и поместим его в герметичный сосуд. Затем откачаем воздух из этого сосуда. При этом плотность воздуха в нем уменьшится, а внутри шарика плотность останется прежней. Шарик постепенно раздуется (рис. «б»).

Как объяснить результат этого опыта?

В нашем опыте первоначально плотность воздуха внутри воздушного шарика и снаружи была одинакова, следовательно, и число ударов молекул о стенки шарика с обеих сторон было равным по величине. Как только мы откачали воздух, число молекул снаружи шарика стало меньше, уменьшилось и число ударов о стенки, а значит, и давление воздуха приобрело меньшее значение. Но внутри воздушного шарика число молекул не изменяется. Следовательно, давление воздуха изнутри шарика будет больше, чем снаружи, и шарик увеличивается по всему объему равномерно. Этот опыт доказывает, что газ оказывает давление по всем направлениям одинаково из-за непрерывного беспорядочного движения его молекул.

Возьмем стеклянную трубку, один конец которой затянут резиновой пленкой и в трубку вставлен поршень. В трубке есть определенная масса воздуха. При вдвигании поршня мы заметим, что резиновая пленка выгибается наружу, а при выдвигании поршня – прогибается внутрь. Почему? При сжатии объем воздуха в шаре уменьшается, плотность воздуха становится больше, число ударов молекул о стенки сосуда увеличивается. Резиновая пленка выгибается до тех пор, пока сила давления воздуха в трубке не уравновесится силой упругости резиновой пленки. Если же поршень выдвигаем, то объем воздуха увеличивается, давление на стенки сосуда уменьшается и резиновая пленка прогибается внутрь.

Итак, при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.

Давайте подумаем, зависит ли давление газа от его температуры? При нагревании скорость движения молекул увеличивается. Двигаясь быстрее, молекулы чаще ударяются о стенки сосуда. Надо учесть, что и сила удара при этом будет больше. Значит, давление газа тем больше, чем выше его температура, при условии, что масса и объем газа остаются неизменными.

Из этих опытов можно сделать общий вывод, что давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда.

Зависимость давления газа от объема и температуры нужно учитывать при хранении и транспортировке газов. Давление сжатого газа велико, поэтому его заключают в специальные, очень прочные баллоны. В таких баллонах, например, содержат сжатый воздух в подводных лодках, кислород, используемый при сварке металлов, газ, используемый в быту для приготовления пищи. Нельзя нагревать баллоны с газом, нельзя их ронять, изменение давления газа может привести к их взрыву.

Давление газа на стенки сосуда, на помещенное в газ тело определяется ударами молекул газа. Причина давления газа – непрерывное и беспорядочное движение молекул во всех направлениях, столкновения со стенками сосуда и поверхностью помещенных в газ тел.

Давление газа зависит:

1.от массы газа (чем больше масса газа, тем больше число молекул и больше ударов о стенки сосуда, тем больше давление газа на стенки сосуда);

2.от рода газа (масса молекул разных газов различна, чем больше масса молекулы, тем больше сила удара молекулы о стенки сосуда, больше давление);

3.от объема газа (чем меньше объем, тем больше плотность газа, тем больше давление);

4.от температуры газа (чем выше температура, тем больше скорость движения и сила удара молекул, тем больше давление газа).