Газы в молекулярно-кинетическом представлении
Простейшее и наиболее изученное агрегатное состояние вещества — газообразное. Оно является самым хаотичным и характеризуется отсутствием как дальнего порядка (типичного для твердой фазы), так и ближнего порядка (обычного для жидкой фазы).
Газы не имеют формы — они занимают весь предоставленный им объем.
Молекулы, из которых состоит газ, обычно так далеко находятся друг от друга, что большую часть времени движутся независимо. Сближаясь, они взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитного поля.
Интенсивность межмолекулярного взаимодействия можно охарактеризовать с помощью потенциальной энергии взаимодействия, которая имеет минимум при некотором расстоянии r0 между молекулами. На расстояниях, меньших r0, взаимодействие носит характер отталкивания, при r r0 наблюдается взаимное притяжение.
Силы электромагнитного взаимодействия между молекулами быстро убывают с расстоянием (примерно как r-7), так как молекулы в целом являются электронейтральными, а их электромагнитные поля представляют собой «хвосты» — следы от сложного распределения разноименных электрических зарядов внутри молекулы.
Минимальное расстояние d, на которое могут подойти друг к другу две молекулы, называется эффективным диаметром молекулы. Как видно из рисунка, с увеличением E(d) — начальной кинетической энергии молекул — d уменьшается.
Это означает, что эффективный диаметр молекулы не является «настоящим диаметром», а представляет собой просто удобную геометрическую характеристику межмолекулярного взаимодействия. Соответственно условная величина
σ = πd2
получила название эффективного сечения молекулы. Ее размерность [м2], но более часто употребляется единица барн (1 барн = 10-28 м2).
Диаметр молекулы газа порядка 0,2 нм = 2 • 10-10 м, а сечение около 1,3 • 10-19 м2 = 1,3 Гбарн.
Термин «барн» (barn — в пер. с англ. «сарай») придумали физики, работавшие над проектом атомной бомбы во время Второй мировой войны в университете Пардью. Сечение в 1 барн сравнительно большое для ядерной физики, и ученые говорили, что оно «сопоставимо по размерам с воротами сарая, в которые не промажет даже слепой стрелок».
В первом приближении можно считать, что взаимодействие молекул носит характер соударения твердых упругих шаров.
Среднее расстояние, проходимое молекулой между двумя последовательными соударениями, называется средней длиной свободного пробега λ. Если обозначить через n концентрацию молекул газа (число молекул в единице объема), то свободный пробег будет тем больше, чем реже расположены молекулы в пространстве (т. е. чем меньше n):
λ = 1 / √(2σn).
Определим среднее число столкновений v, которое испытывает молекула за одну секунду; для этого достаточно поделить среднюю скорость движения молекулы на средний пробег:
v = V / λ.
При нормальных, комнатных, условиях молекула азота имеет скорость около 500 м/с и средний пробег порядка 2 • 10-7 м, т. е. испытывает за 1 с несколько миллиардов соударений с другими молекулами.
В результате межмолекулярных столкновений скорости молекул газа равномерно распределяются по всем направлениям в пространстве. Возникает равновесное состояние газа, в котором отдельные молекулы могут иметь произвольное значение модуля скорости — от нуля до предельно высоких значений.
