Движение молекул

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.

Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от друга. Так, водяной пар нельзя превратить в воду, если он нагрет выше 374 градусов, кислород же нельзя превратить в жидкость, если он не охлаждён до 119 градусов ниже нуля.

Отсюда понятно, почему так долго не могли превратить "постоянные" газы в жидкости. Температуры этих газов были выше их критических температур. Когда одновременно со сжатием начали сильно охлаждать газы — до температур ниже критической, то все известные газы были превращены в жидкость, и само название "постоянные газы" потеряло смысл.

В наше время даже в школе вы можете часто видеть голубую подвижную жидкость, налитую в небольшой сосуд с двойными стенками, посеребрёнными изнутри. Это — жидкий воздух. Самый обыкновенный воздух, который окружает нас и которым мы дышим, превращён в жидкость.

Рис. 14. Для того, чтобы сжать воду в стакане только на 4 процента, на неё нужно давить с силою в несколько десятков тонн.

Жидкий воздух и жидкий кислород имеют огромное значение для промышленности. Так, применение кислородного дутья увеличивает производительность доменных печей больше чем в два раза. Велико значение кислорода при газификации топлива, в частности, при подземной газификации углей. Кислород необходим для повышения производительности сернокислотных заводов, для получения крепкой азотной кислоты и т. д.

Большое значение для народного хозяйства имеет ожижение и других газов, например аммиака, хлора, углекислоты.

Если газ достаточно охлаждён, то нет необходимости применять для его ожижения особенно сильное давление. Так, при критических температурах водород становится жидким уже при 12,8 атмосферы, кислород — при 50,8 атмосферы.

Чем больше охлаждён газ, тем меньшее давление требуется для ожижения его. Вспомните, как легко превращается пар в воду на холодных предметах, внесённых в комнату, или на стёклах окна в зимнее время. Незначительное понижение температуры воздуха летней ночью вызывает уже появление росы.

Ожижение газа является ярким доказательством наличия сил молекулярного сцепления. Но если эти силы действительно существуют, то возникает вопрос: почему молекулы газа при столкновении не прилипают одна к другой, а разлетаются после удара в разные стороны?

Чтобы объяснить это, мы должны признать, что наряду с силами притяжения между молекулами существуют и силы отталкивания. Но проявляют себя эти силы только тогда, когда молекулы сильно сближены.

В жидкости молекулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газе. Сблизить их ещё больше очень трудно — силы отталкивания противодействуют этому сближению. Поэтому жидкости очень мало сжимаются, и можно считать, что практически они вовсе не могут быть сжаты. Чтобы уменьшить объём воды путём сжатия всего на 4 процента, надо подвергнуть её давлению приблизительно в тысячу атмосфер (рис. 14).