65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Но это всё примеры механического давления твердых тел. А мы же собирались поговорить про термодинамику. При чем здесь тепловые явления и давление газов? И как газы вообще могут давить? Для ответа на этот вопрос нам нужно опять перейти на микроскопический уровень и вспомнить, что все тела состоят из молекул[35], которые находятся в постоянном хаотическом движении. И газы – не исключение. Только у газов, в отличие от твердых и жидких тел, эти молекулы никак друг с другом не связаны, они летают в разных направлениях, постоянно сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда, в котором находятся. А что происходит при столкновении молекулы со стенкой? Молекула отскакивает, как резиновый мячик, отталкиваясь от стенки. Но если стенка толкает молекулу, то молекула также толкает стенку, но в противоположном направлении (они отталкиваются друг от друга). И теперь представьте, что таких столкновений за одну секунду происходит миллиарды миллиардов (ведь даже в разреженном газе молекул огромное количество). Каждая точка поверхности стенки сосуда подвергается постоянной «бомбардировке», отражает налетающие молекулы и, соответственно, отталкивается в противоположную сторону. Так вот, суммарное действие всех этих молекул, налетающих и отражающихся от стенок сосуда, и создает давление газа.

Получается, что давление газа (как и другая макроскопическая характеристика – температура) тоже определяется микроскопическими характеристиками. Получается, что давление газов будет зависеть:

1) от средней скорости молекул – чем больше скорость, с которой они врезаются в стенку, тем большее давление они будут создавать;

2) от массы молекулы – более тяжелые молекулы будут оказывать большее воздействие при столкновениях;

3) и от концентрации молекул – чем больше молекул содержится в сосуде, тем чаще они будут сталкиваться со стенками и тем большее давление на них оказывать.

Но как нам измерить давление газа (например, воздуха) в обычной жизни? Мы ведь не сможем пересчитать все молекулы и измерить их скорости. Об этом мы поговорим в следующей главе.

Вопрос 24. Что означает миллиметр ртутного столба и при чем тут атмосферное давление?

Когда мы слушаем прогноз погоды, то часто, помимо температуры и влажности воздуха (о том, что это такое, мы тоже чуть позже поговорим), диктор сообщает величину атмосферного давления. Например, говорит, что давление 760 миллиметров ртутного столба, или, сокращенно, 760 мм рт. ст. А задумывались ли вы, что это за ртутный столб и при чем тут атмосферное давление?

А дело было в Италии еще в XVII веке. В те времена инженеры уже умели конструировать водяные насосы для обеспечения работы фонтанов. Но была у них одна проблема – эти насосы не могли поднять воду на высоту более 11 метров. Тогда они обратились к самому известному итальянскому ученому того времени Галилео Галилею, чтобы тот объяснил, почему так происходит, и помог им что-то с этим сделать. Галилей был уже довольно стар и не хотел с этим возиться, поэтому (как это обычно принято у физиков) поручил разобраться с этой задачей своим ученикам – Эванджелиста Торричелли (1608–1647) и Винченцо Вивиани (1622–1703). Они предположили, что высота, на которую можно поднять жидкость, зависит от ее плотности: чем больше плотность жидкости, тем более она тяжелая, тем меньше будет высота подъема. Поэтому для своих экспериментов они выбрали не воду, плотность которой 1 г/см³, а ртуть с плотностью 13,6 г/см³. Этот опыт теперь называют опытом Торричелли.

Суть опыта в следующем. Берется стеклянная трубка длиной 1 метр, запаянная с одной стороны, чтобы получилась такая длинная пробирка. Эту пробирку до краев заполняют ртутью[36], закрывают верхний конец, переворачивают и опускают в другую емкость с ртутью. После чего пробирку открывают, чтобы ртуть из нее могла вытекать в эту емкость. Как вы думаете, что будет происходить с ртутью из пробирки? Наверное, она вытечет в емкость. Да, но не вся! В пробирке останется столб ртути (тот самый ртутный столб) высотой примерно 760 мм.

Но почему ртуть вытекает не вся? Что удерживает ее внутри пробирки? Античные ученые вслед за Аристотелем сказали бы: потому что природа не терпит пустоты – ведь когда ртуть вытекает из трубки, то на верхнем ее конце образуется пустое пространство, не заполненное ничем. Но почему же тогда природа соглашается терпеть 240 мм этой пустоты? Более того, если мы возьмем изначально трубку длиной не 1 метр, а 2 метра, и проделаем всё то же самое с ней, то в этой более длинной трубке ртути останется все равно столько же – 760 мм. То есть природа будет согласна потерпеть уже 1240 мм пустоты.

А если взять эту трубку с собой в горы и там повторить эксперимент (как это делал Торричелли), то столбик ртути будет уже чуть меньше: 740 мм, или 720 мм, или еще ниже. А пустоты, соответственно, в трубке будет уже больше, в зависимости от того, насколько высоко мы поднимемся. Выходит, что с увеличением высоты природа становится более толерантна к пустоте?