Однако точные фактические измерения показывают, что уравнение 13.12 не всегда точно выдерживается для всех газов (по причинам, которые я буду объяснять позже). Оно справедливо при некоторых идеальных условиях, которые могут выполнить не все газы (хотя некоторые газы и очень близки к их выполнению), и если можно вообразить, что существует «идеальный газ» или «совершенный газ», то он будет точно следовать отношению, выраженному в уравнении 13.12. По этой причине уравнение 13.12 (или повторяющее его уравнение 13.11) называется «уравнением идеального газа».

Глава 14.

ТЕПЛОТА

Кинетическая теория газов

Если мы примем как данную атомистическую теорию структуры газа (неизбежно вытекающую из экспериментов Бойля), то она сможет объяснить газовые законы, описанные в предыдущей главе и ранее. Первый ученый, который еще в 1738 году предпринял серьезную попытку сделать это, был Бернулли (принцип Бернулли).

Если газы состоят из отдельных частиц (атомов или молекул), широко разделенных и обособленных, было бы разумно предположить, что они находятся в постоянном свободном движении. Если бы это было не так и газовые молекулы были неподвижны, они бы под действием силы тяжести падали на дно сосуда, в котором находятся, и оставались бы там. Это действительно имеет место для жидкостей и твердых тел, в которых атомы не движутся свободно, а находятся в эффективном контакте друг с другом и, таким образом, ограничивают перемещение друг друга. Предположение о том, что газы состоят из частиц, каждая из которых находится в постоянном движении и каждая фактически не подвержена влиянию других, называется «кинетической теорией газов» («кинетическая» происходит от греческого слова, означающего «двигаться»).

Сейчас мы не будем задаваться вопросом, почему частицы должны перемещаться, просто примем как факт, что это происходит. Кинетическая энергия газовых частиц должна намного превосходить слабую силу тяготения, которую Земля проявляет на столь маленьких частицах. (Как вы помните, сила тяжести, воздействующая на частицу, частично зависит от массы Земли, умноженной на массу частицы, но последняя — столь малая величина, что и полная сила получается ничтожно малой.)

Безусловно, притяжение Земли не равно нулю, и при рассмотрении большого количества газа эффект его значителен. Атмосфера Земли остается связанной с планетой именно благодаря силе тяготения, и большинство частиц газа, окружающего нашу планету, остается в пределах нескольких миль от ее поверхности. Лишь только тонкие пучки газа умеют проникать дальше. Однако для маленьких количеств газа, или, иначе говоря, для количеств, которые могут содержаться в пределах искусственных резервуаров, эффекты, которые оказывает сила тяжести, — величина достаточная, чтобы ее игнорировать. Следовательно, частицы в пределах таких сосудов могут рассматриваться как равномерно легко перемещающиеся в любом направлении: влево, вправо, вверх и вниз.

В любом данном сосуде случайное движение частиц в любом направлении заставляет газ распространяться равномерно. (Даже равномерного распространения газа в пределах сосуда вполне достаточно, чтобы показать случайный характер движения частиц. Если бы это было не так, газ скопился бы в одной или другой части сосуда.) Если одно и то же количество газа переместить в больший сосуд, то случайное движение частиц снова распространит их равномерно, в более просторных границах. Таким образом, газ расширяется, чтобы заполнить весь сосуд целиком независимо от того, насколько он велик, и (если сосуд не настолько огромен, что мы не можем дальше игнорировать эффект воздействия силы тяжести) заполняет его равномерно.