Движение молекул

Вы уже знаете, что при нагревании газа скорости молекул увеличиваются. Быстрее двигаясь, молекулы чаще ударяются о стенки, и каждый удар их сильнее, чем при низкой температуре. Понятно, что возникающее от сложения ударов отдельных [молекул давление газа в этом случае будет значительно больше.

Такова причина упругости газов. Впервые указал её М. В. Ломоносов.

"Мы считаем излишним, — писал Ломоносов, — призывать на помощь для отыскания причины упругости воздуха ту своеобразную блуждающую жидкость, которую очень многие — по обычаю века, изобилующего тонкими материями, — применяют обыкновенно для объяснения природных явлений; мы довольствуемся тонкостью и подвижностью самого воздуха и ищем причину упругости в самой материи его".

8. Жидкие газы

Сжимая какой-либо газ, мы уменьшаем расстояние между его молекулами. Увеличивая давление, можно очень сильно сблизить молекулы газа.

Вы уже знаете, что движение молекул жидкости напоминает движение молекул газа. Разница между газом и жидкостью заключается, повидимому, только в том, что в газе молекулам предоставлено гораздо больше места, чем в жидкости. Что же будет, если мы, увеличивая давление, сблизим молекулы газа до тех расстояний, на которых находятся друг от друга молекулы жидкостей? Не превратится ли газ в жидкость?

Этот вопрос давно привлекал внимание учёных. Более ста лет тому назад, в 1823 году, этим вопросом заинтересовался молодой английский физик М. Фарадей. Он производил много опытов, настойчиво пытаясь найти ответ на интересующий его вопрос.

Однажды, когда он ставил очередной опыт, пытаясь превратить в жидкость удушающий газ хлор, в лабораторию вошёл его руководитель. Вместе с ним зашёл его приятель. Последний, заметив на стенках прибора маслянистую жидкость и думая, что прибор загрязнён каким-то маслом по небрежности Фарадея, сделал учёному замечание. На следующее утро почтальон принёс ему письмо молодого физика. Письмо было кратким: "Масло, замеченное Вами вчера, было не чем иным, как жидким хлором".

Что же происходит при сжатии газа? Почему газ превращается в жидкость?

До сих пор при обсуждении свойств мельчайших частиц вещества — атомов и молекул — мы умалчивали об одном важном их свойстве. Атомы и молекулы любого вещества притягиваются друг к другу особыми силами — силами молекулярного сцепления, подобно тому, как все тела притягиваются к земле силой тяготения. Пока расстояния между молекулами велики, силы молекулярного сцепления малы. Однако они быстро растут по мере того, как это расстояние уменьшается. Таким образом, при сжатии газа силы сцепления молекул друг с другом возрастают. Этих сил и оказывается достаточно для того, чтобы при комнатной температуре, когда молекулы газа движутся быстро, превратить в жидкость многие газы.

Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.

Однако не все газы удаётся превратить в жидкость при комнатной температуре. Имеется много газов, которые при обычной температуре не ожижаются, какое бы высокое давление вы ни применили. К таким газам относятся кислород, азот, водород и т. д. Для них было придумано даже специальное название — "постоянные" газы. Так называли их, желая, подчеркнуть невозможность превращения их в жидкость.

В чём же причина загадочного "постоянства" кислорода, азота и других несжижающихся газов?

Правильный ответ на этот вопрос дал великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев. Он рассуждал так: когда сжимается какой-нибудь газ, силы молекулярного сцепления помогают сжатию, стараются ещё сильнее сблизить молекулы друг с другом. Этому сближению, однако, противится тепловое движение (молекул, которое заставляет молекулы рассеиваться во все стороны, вызывает в газе стремление расшириться и занять возможно больший объём.

Дмитрий Иванович Менделеев (родился в 1834 году, умер в 1907 году).

Если силы сцепления велики, они могут преодолеть стремление газа к расширению, удержать молекулы друг около друга и таким образом создать некоторый порядок, характеризующий жидкость.

Но когда силы сцепления невелики, тепловое движение молекул не позволит газу превратиться в жидкость, силы сцепления не смогут преодолеть стремление молекул улететь друг от друга возможно дальше. В этом и заключается причина "постоянства" таких газов, как кислород, азот или водород. Встречаем ли мы здесь непреодолимое препятствие, поставленное природой на пути человека? Отнюдь нет!

Для того чтобы превратить в жидкость "постоянные" газы, необходимо лишь сильно охладить их. При понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, стремление их рассеяться в разные стороны падает, и сил сцепления оказывается достаточно для сжижения газа.

Д. И. Менделеев указал, что для всякого газа существует такая температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. Выше этой температуры жидкость существовать не может. Менделеев назвал эту температуру "температурой абсолютного кипения".

В наше время её называют "критический температурой" вещества.