Убедимся в том, что практически постоянная сила давления может создаваться очень частыми ударами небольших частиц. Укрепим в горизонтальном положении лист картона так, как показано на рис. 27.1. Если сыпать на этот лист какие-либо мелкие частицы (например, песок) равномерным потоком, мы увидим, что лист сгибается, как если бы на него действовала постоянная по величине сила.
Рис. 27.1. Демонстрация возникновения постоянной силы давления. |
Давление газа обусловлено ударами молекул о стенку сосуда, поэтому с помощью молекулярно-кинетической теории его можно выразить через концентрацию молекул, средние скорости молекул и массу одной молекулы.
Это было сделано немецким физиком Клаузиусом в середине 19-го века. Он вывел
Вывод этого уравнения не очень сложен, но громоздок. Поскольку в дальнейшем нам понадобятся только следствия из этого уравнения, мы ограничимся здесь качественными соображениями, поясняющими это уравнение.
То, что давление газа пропорционально концентрации молекул очевидно: чем больше молекул в единице объема, тем больше столкновений молекул со стенкой сосуда в единицу времени.
При каждом столкновении молекула передает стенке импульс, пропорциональный импульсу молекулы, то есть где — модуль скорости молекулы. Вторая степень скорости в формуле для давления связана с тем, что частота ударов молекул пропорциональна также модулю их скорости.
Численный коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства и тем, что при хаотическом движении молекул все три направления равноправны.