ВАКУУМ

СВОЙСТВА ГАЗОВ

Ы уже выяснили, что все газы, в том числе и воздух, состоят из множества мельчайших частичек (молекул), находящихся в непрерывном движении [3]). Число молекул в единице объема газа очень велико. Так, каждый кубиче­ский сантиметр воздуха в нашей комнате содержит около 2,7-1019 молекул, т. е. 27000000000000000000.

В газах молекулы находятся на значительно больших расстояниях друг от друга, чем в жидкостях и твердых телах, и не связаны между собой. Это подтверждается тем, что газы могут быть легко сжаты.

Молекулы газа всегда находятся в движении. Движение это беспорядочно, а скорости отдельных молекул различны. Большая часть молекул движется с некоторой скоростью, которая называется «средней скоростью». Некоторые моле­кулы движутся значительно медленнее, другие — превышают среднюю скорость. Однако чем больше отличие скорости молекул от средней скорости, тем меньше таких молекул. Средняя скорость молекул может быть определена опытным путем, она обычно и используется при всех расчетах. Сред­няя скорость молекул в газах при обычной температуре и давлении исчисляется сотнями и даже тысячами метров в секунду. Так, молекулы азота движутся со средней ско­ростью более 450 м/сек, а водорода около 2000 м/сек.

Молекулы газа сталкиваются одна с другой и ударяются

О стенки сосуда, в котором они находятся. Число столкнове­ний огромно. Оно составляет, например, для воздуха при обычных условиях в объеме 1 кубического сантиметра более 7 миллиардов столкновений в секунду. Путь, прохо­димый каждой молекулой от одного столкновения до друго­го, невелик. Так, в тех же условиях он составляет всего око­ло 6 сотых микрона (6 миллионных долей сантиметра).

Молекулы как бы толкутся на одном месте. Среднее расстоя­ние, которое проходят молекулы от одного столкновения до другого, называется длиной свободного пробега молекулы. Эта величина играет важную роль в науке о газах. Непре­рывные удары молекул газа о стенки сосуда создают давле-

Ние. Теоретически можно под­считать величину этого давле­ния: оно зависит от числа ударов частиц о стенки сосуда или окру­жающие предметы, скорости мо­лекул и их массы.

На поверхности Земли все предметы находятся под давле­нием воздуха. Длительное время люди не имели представления о величине этого давления и о тех явлениях, которые обусловлены наличием этого давления. Толь­ко в 1643 году итальянский ученый Торичелли определил величину давления воздуха. Сде-

Рис. 1. Вода во всасываю - л ал он это по следующему по-

Щей трубе водяного насоса воду.

Не поднимается выше 10 мет - ^ начале XVII столетия во ров. - ^

Флоренции устраивался боль-

Шой насос для поливки цветов в саду великого герцога. На­сос сделали лучшие мастера. Они особенно тщательно подо­гнали поршень и цилиндр насоса. При испытании насоса его строители были неприятно поражены: вода не поднималась во всасывающей трубе насоса больше чем на 18 локтей — около 10 метров (рис. 1). С просьбой дать объяснение это­му непонятному явлению обратились к знаменитому учено­му Галилею. Хотя Галилей уже знал о том, что воздух имеет вес, он не связал работу насоса с давлением воздуха, а от­ветил, что, по всей вероятности, отвращение природы от пус­того пространства действует только до предела 18 локтей, а при большей высоте столба воды происходит его разрыв. Однако найденные впоследствии документы показали, что Галилей предполагал поставить опыт для проверки величи­ны дазления воздуха. Арест и осуждение инквизицией помешали Галилею выполнить намеченную работу. Эту работу выполнил его ученик Торичелли, занявший по­сле Галилея кафедру фцзики в Болонском университете»

Торичелли упростил опыт: вместо воды он взял значи­тельно более тяжелук) жидкость — ртуть. Опыт провести он поручил своему ученику Вивье. Заполнив ртутью запа­янную с одного конца трубку и закрыв открытый конец, Вивье опрокинул ее в чашку с ртутью. Уровень ртути в трубке опустился, но вся ртуть из трубки не вылилась. Рас­стояние между уровнями ртути в трубке и в чашке состави­ло около 760 миллиметров. Дальнейшие наблюдения показа­ли, что уровень ртути в трубке не остается постоянным, из­меняется во времени; ртуть то несколько поднимается, то опускается.

Почему же не выливается ртуть из такой трубки? Какая сила удерживает столб ртути? Ответ на этот вопрос будет ясен, если разобрать такой пример: возьмем два сосуда и соединим их трубкой: Если в один сосуд налить воду, то она будет перетекать в другой, пока уровни воды не сравняются. То же самое будет происходить, если в сосуды налить ртуть. Когда уровень ртути в обоих сосудах будет одинаковый, нальем на поверхность ртути в одном сосуде слой воды, во втором сосуде уровень ртути поднимется. Вода «отожмет» часть ртути. Подъем ртути во втором сосуде будет меньше, чем высота слоя воды в первом, во столько раз, во сколько ртуть тя­желее воды.

То же происходит и в бароме­трической трубке, только на по­верхность ртути в открытом сосуде оказывает давление воздух. Так впервые было определено давление воздуха. Приборы для определения давления воздуха стали называть барометрами. Простейшим баромет­ром является трубка Торичелли.

После этого величину давления воздуха или других газов принято измерять и выражать в миллимет­рах ртутного столба, или, как их Рис* 2- 0пыт Торичелли г ^ т ’ , и измерение вакуума,

Теперь называют в честь Торичелли, ^ уу

В торах. Торичелли доказал, что вода во всасывающих трубах насосов, так же как и ртуть в трубке, поднимается вслед­ствие давления воздуха. Величина давления воздуха на по­верхности Земли равна примерно 760 мм ртутного столба или 10 м водяного столба, поэтому всасывающие трубы насо­
сов должны быть не более этой величины. Он считал, что в пространстве над ртутью находится пустота. Позднее было показано, что на самом деле над ртутью содержится некото­рое количество воздуха, который туда попадает из ртути, и пары ртути.

На рис. 2 (слева) показано, как при помощи трубки, за­полненной ртутью, измеряют давление наружного воздуха или величину вакуума (рис. 2, справа). В первом случае это делается при помощи барометрической трубки Торичелли, во втором — путем присоединения открытой трубки, опу­щенной одним концом в ртуть, к разреженному простран­ству.

Величину давления воздуха на поверхности Земли и зависимость давления от высоты местности проверил Па­скаль. Он поднялся на крышу высокого здания и обнару­жил, что уровень ртути в трубке понижается при подъеме над поверхностью Земли. Уменьшение давления воздуха было особенно заметно при подъеме на горы. В 1648 году на гору Пюи де Дом в Овернской провинции поднялся Перрье (родственник Паскаля) и подтвердил предполо­жения Паскаля.

Дальнейшие подробные исследования позволили опреде­лить давление воздуха и его температуру на различной вы­соте от поверхности Земли. На рис. 3 показаны свойства атмосферы в зависимости от высоты над поверхностью Земли.

Опыт, поставленный Торичелли, не сразу был понят и признан его современниками. Одни утверждали, что ртуть в трубке держится невидимыми нитями, другие продолжали придерживаться представлений о силе «боязни пустоты». Известный английский физик Роберт Бойль поставил спе­циальные опыты с целью опровержения ложных взглядов. В этих опытах Бойль установил, что объем газа изменяется обратно пропорционально давлению, т. е. если повысить давление в два раза., то объем газа уменьшится тоже в два раза.

Так был установлен основной закон для газов.