Международный союз охраны природы

Однако это различие объясняет только направленность движения молекул. Между тем известно, что расширение газов осуществляется с определенной силой, которую можно, например, фиксировать, когда лопается воздушный шарик или стреляют из духового ружья. Объяснение этой силы следует искать в большей частоте соударений молекул в направлении пониженной их концентрации, чем в обратном. Для понимания этого необходимо представить себе, что в расширяющемся газе поставлена подвижная перегородка, о которую ударяются молекулы, тем самым перемещая ее. В той стороне, где концентрация молекул больше и, следовательно, больше и давление, молекулы чаще ударяются об эту перегородку, чем с обратной ее стороны, где молекул меньше. Поэтому большее количество ударов молекул с одной стороны заставляет перегородку перемещаться с силой пропорциональной различию в количестве этих ударов. Необходимо подчеркнуть, что большее количество ударов создается за счет возможности для каждой молекулы после отскока от перегородки быстрее вернуться к ней вследствие большей частоты отталкивания ее другими молекулами, поскольку в этой стороне радиус вероятностного контура свободного пробега меньше.

Для наглядности этот механизм можно изобразить в виде модели, которую автор назвал решетчато-пружинной. Представим себе, что каждая молекула соединяется с соседней молекулой пружиной, которая способна неограниченно разжиматься. Иными словами, пружина только отталкивает молекулы друг от друга, причем тем сильнее, чем больше они сближаются. В соответствии с этой моделью молекулы разбегаются в те стороны, где их меньше, так как здесь “пружины” сжаты слабее. Сила отталкивания “пружин” определяется количеством соударений молекул: чем их больше, тем больше сжаты “пружины” и тем с большей скоростью и силой молекулы стремятся разбежаться.

Действие такого механизма обусловлено двумя факторами: 1) различием в длине свободного пробега молекул в стороны их большей и меньшей концентрации (давления); 2) различием в частоте отталкивания каждой молекулы от соседних молекул в сторону более и менее плотного газа, что создает эффект силы, с которой газ расширяется в сторону менее плотного.

Рис. 26. Асимметричность вероятностного контура свободного пробега молекулы газа у стенки сосуда на расстоянии от нее, меньшем длины этого пробега. Стрелкой показано направление движения молекулы

Подобными же свойствами обладают молекулы у стенки сосуда, если они приближаются к ней на расстояние, меньшее длины их свободного пробега. В этом случае вероятностный контур свободного пробега так же приобретает асимметричную конфигурацию, как и в расширяющемся газе (рис. 26). Только если в последнем случае асимметрия создается за счет различия в расстояниях между молекулами газа, то у стенки сосуда она обусловлена присутствием самой этой стенки, от которой молекулы также отскакивают. Чем ближе молекула к стенке, тем короче пробег до нее и тем, соответственно, более резко асимметричен вероятностный контур в связи с увеличением различий в длине пробега к стенке и от стенки. Значит, чем ближе молекула к стенке, тем относительно меньше времени она будет возле нее задерживаться, так как тем быстрее она пройдет этот короткий путь до нее и, отскочив от стенки в обратном направлении, совершит относительно более длинный пробег до соударения с другими молекулами. Следовательно, здесь, как и в расширяющемся газе, должно существовать такое явление: каждая молекула, случайно оказавшаяся у стенки, должна ускоренно удаляться после соударения с ней в противоположную сторону. Чем ближе она к стенке, тем скорее и удаляется от нее (в объеме газа каждая молекула так же ускоренно удаляется в сторону более разреженного газа, отталкиваясь от более плотного слоя молекул).

У стенки сосуда каждая молекула чаще соударяется с ней и фактически создает на нее большее давление, чем в противоположную сторону. Однако поскольку сила действия равна силе противодействия и стенка, испытывая давление, не перемещается, значит, молекулы газа должны с такой же силой создавать давление в противоположном направлении. Так же более плотный газ давит на менее плотный, заставляя весь газ расширяться. Это не та сила, с которой весь газ давит на стенки, а дополнительная, связанная именно с близостью молекул к стенке сосуда, и она возникает только в этом пограничном слое газа.

Рис. 27. Сокращение длины свободного пробега молекул в газе с обеих сторон стенки (жирная линия) в случае мгновенного появления стенки и создания ею эффекта повышенной плотности распределения молекул вблизи нее. Пунктирные линии – сокращенные у стенки длины свободного пробега молекул, сплошные – полные длины пробега; кружки – молекулы, показанные для случая их равномерного распределения

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56