Изменить размер шрифта - +
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. С другой стороны, если газообразное содержимое большого сосуда каким-то образом перемещается в меньший сосуд, то частицы более близко сдвигаются между собой, и весь газ опять же вмещается в более ограниченный объем. Причем вмещается он всегда весь, без остатка.

Однако если мы будем рассматривать движение частиц газа, то ясно, что никакая отдельно взятая частица не может двигаться в течение долгого времени без того, чтобы не столкнуться с себе подобной. Частицы сталкиваются между собой постоянно, и не менее постоянно они сталкиваются со стенками сосуда. Можно предположить, что эти частицы имеют большую эластичность, и их сильные удары не приводят к полной потере энергии. Если бы это не было так, то частицы постепенно замедляли бы свое движение, теряли свою энергию, пока, наконец, не перешли к состоянию покоя (или почти к состоянию покоя) и не упали бы на дно сосуда под действием силы тяжести. Но этого не случается. Если мы возьмем и изолируем, насколько это позволяют наши возможности, сосуд с газом, то обнаружим, что состояние газа в нем не меняется неопределенно долгое время.

Бернулли указал, что соударение частиц газа со стенками сосуда создает эффект, который мы можем интерпретировать как давление. Поскольку при соударении со стенками сосуда каждая частица подвергает стенку воздействию крошечной силы, полная сила на единицу площади представляет собой давление. Строго говоря, то, что мы называем давлением, есть сумма многих отдельных давлений каждой из мельчайших частиц. Однако их так много и воздействие их так сжато по времени, что мы ощущаем эти толчки как единое целое равномерное давление. Поскольку движение частиц хаотично во всех направлениях, то и давление равномерно во всех направлениях.

Предположим, что газ находится в сосуде, ограниченном абсолютно гладким поршнем, вес которого таков, чтобы компенсировать давление частиц газа внутри этого сосуда (силу частиц, ударяющих в поверхность поршня). Если уменьшить его вес, то внешняя сила, давящая на верхнюю поверхность поршня, уменьшится. Направленная вверх сила движущихся частиц станет больше, чем сила, направленная вниз, и поршень поднимется вверх.

Однако поскольку поршень переместится вверх, объем сосуда увеличится. По мере того как объем увеличивается, расстояние, на которое может переместиться каждая из частиц, в среднем увеличивается, то есть в среднем возрастает расстояние, которое надо пройти каждой частице, для того чтобы достичь днища поршня. Естественно, тогда число столкновений частиц с днищем поршня должно уменьшаться в каждый данный момент времени, поскольку каждая частица тратит большее время на достижение стенки и меньшее время на столкновение. Как следствие этого уменьшится и давление. В конечном счете спад давления приведет к тому, что оно будет сбалансировано меньшим весом поршня, и поршень прекратит свое движение вверх. Как описано в законе Бойля: по мере увеличения объема уменьшилось давление газа.

Теперь предположим, что, наоборот, к первоначальному весу поршня был добавлен некоторый дополнительный вес. Теперь направленная вниз сила тяжести перемещает поршень вниз против силы столкновений частиц. Поскольку поршень перемещается вниз, объем уменьшается. Каждая частица, чтобы достигнуть днища поршня, перемещается в среднем на меньшее расстояние. Число столкновений между частицами газа и днищем поршня в каждый данный момент времени увеличивается, соответственно увеличивается и давление на стенки сосуда и днище поршня. В конечном итоге давление увеличивается до величины, когда дополнительный вес поршня сбалансируется. Объем газа уменьшился, а давление увеличилось; снова все происходит согласно закону Бойля.

Через столетие после Бернулли, когда ученые осознали эффект, который температура оказывает на объем и давление газов, потребовалось пересмотреть и расширить кинетическую теорию газов, чтобы объяснить причастность и температуры.

Быстрый переход