Движение молекул

3. Со скоростью пули

В жизни мы привыкли чаще иметь дело с твёрдыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому первые нам представляются более простыми и понятными, чем неосязаемые и невидимые газы. Однако не всё, к чему мы привыкли и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы имеют более простое строение, чем жидкости или твёрдые тела; поведение молекул у них легче изучить и понять.

Если бы мы построили микроскоп, в который можно было видеть отдельные молекулы, и стали бы с его помощью рассматривать спокойный воздух или какой-либо другой газ, то обнаружили бы в «спокойном» воздухе или газе невообразимую сутолоку и суету. Молекулы газа движутся беспорядочно по всем направлениям с самыми различными скоростями. На первый взгляд здесь нет никакого порядка, никаких правил движения. Есть молекулы быстрые, есть и молекулы медленные; и те и другие движутся по всем направлениям. Однако если измерить скорости большого числа молекул, то окажется, что очень быстро и очень медленно движется совсем небольшая доля молекул.

Важный для науки закон, который указывает, как распределяются скорости между молекулами (то-есть сколько молекул движется медленно, сколько — быстро), был найден английским физиком К. Максвеллом.

По этому закону, правильность которого была проверена на опыте, подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Сказанное можно пояснить таким примером. Если собрать всех только что призванных в армию солдат одного года рождения построить их рядами так, чтобы в каждом ряду стояли солдаты одного роста; затем ряд самых высоких поставить справа, а самых низких — слева, как показано на рисунке 4, то окажется, что новобранцев очень высокого и очень маленького роста будет только несколько человек, а чем ближе к середине, тем длиннее будут ряды. Большинство призывников имеет близкий к среднему рост. Это правило будет выполняться всегда, когда мы будем брать достаточно большое количество призывников. Если же мы захотим проверить сказанное, взяв десять-одиннадцать призывников, то мы можем встретиться случайно со значительными отклонениями от этого правила. Точно так же и замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только тогда, когда молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объ'ёме, равном булавочной головке, содержится такое громадное число молекул, которое исчисляется единицей с 16 нулями. Поэтому во всех практических случаях можно без существенной ошибки считать, что все молекулы движутся с одной и той же средней скоростью.

Рис. 4. Распределение солдат по росту.

Какова же величина средней скорости движения молекул газа?

У разных газов она различна.

Самые быстрые молекулы — молекулы лёгкого газа водорода. Медленнее движутся молекулы кислорода. Ещё медленнее — молекулы углекислоты, тяжёлого газа, образующегося при многих химических превращениях, и, в частности, при горении.

При обычной температуре молекула водорода пробегает около 2 километров в секунду, то-есть около 7000 километров в час (рис. 5). Молекулы кислорода совершают за 1 секунду путь около 500 метров, то-есгь около 1800 километров в час. Скорость движения молекул углекислоты — 1200 километров в час. Ещё медленнее движутся молекулы некоторых сложных веществ. Например, молекулы вещества, называемого карбонилом никеля, проходят за час меньше 600 километров. Такую молекулу легко обгонит современный самолёт.

Эти цифры вызывают законное удивление. В самом деле, молекулы водорода, двигаясь беспрепятственно, облетели бы вокруг Земли по экватору всего за 6 часов. Даже медленная молекула углекислоты совершила бы это путешествие меньше чем за двое суток.

С другой стороны, мы знаем, как медленно распространяются запахи. Так, если на некотором расстоянии от нас разольют бензин, то необходимо некоторое время для того, чтобы запах дошёл до нас. Но ведь скорость распространения запаха — это и есть как будто скорость движения молекул пахучего вещества в воздухе. Как же примирить быстрое движение молекул, проходящих сотни метров в секунду, с медленным распространением запаха?

«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими… вторые атомы, друг от друга отпрыгнув, ударились о более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны, писал М. В. Ломоносов.

Рис. 5. При обычных температурах молекулы водорода движутся быстрее самолёта и поезда.

Соударение молекул! Вот в чём причина медленного распространения запаха. Хотя молекулы газов и движутся с очень большими скоростями, они проходят без соударения только очень короткие пути — миллионные доли сантиметра.

Соударения резко изменяют направление движения молекул и придают их путям очень замысловатую форму (см. рисунок на обложке).

Таким образом., двигаясь очень быстро, но непрерывно меняя направление своего движения, молекулы как бы „толкутся“ на месте. В этом суетливом движении молекулы медленно перемещаются вперёд.