Давление газа на стенку сосуда
При выводе уравнения состояния идеального газа будем считать молекулы маленькими твердыми шарами, заключенными в ящик объемом V (рис. 8.2). Предположение о твердых шарах означает, что между молекулами происходят упругие соударения. Рассмотрим сначала одну такую молекулу, отражающуюся от левой стенки ящика. Средняя сила, действующая на стенку на протяжении времени , равна
. (8.9)
В результате соударения импульс изменяется на величину
. (8.10)
Поскольку время между соударениями молекулы с этой стенкой
, (8.11)
то на стенку со стороны одной молекулы действует средняя сила
. (8.12)
Рис. 8.2 Частица в сосуде объемом lS после отражения от левой стенки
Полная сила, с которой все N молекул в ящике действуют на стенку, дается выражением
, (8.13)
где – усредненный по всем частицам квадрат скорости .
Эта величина называется среднеквадратичной скоростью в направлении оси X. Разделив обе части этого соотношения на площадь стенки S, получим давление
. (8.14)
Заменим S l на объем V; тогда
, (8.15)
откуда
. (8.16)
Уже отсюда видно, что для данного количества газа произведение pV остается постоянным при условии, что кинетическая энергия частиц сохраняется без изменения. Правую часть формулы (8.16) можно записать через . Действительно,
.
Поскольку молекулы совершенно одинаково отражаются от всех шести граней, то
.
Тогда
, или .
Подставим теперь в (8.16) вместо величину :
. (8.17)
Мы будем определять абсолютную температуру как величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул в сосуде:
(8.18)
(определение температуры), где – средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну частицу.
Коэффициент пропорциональности (2/3k) представляет собой константу. Значение постоянной k (постоянной Больцмана) зависит от выбора шкалы температуры. Один из способов выбора шкалы основан на том, что интервал температур между точками кипения и замерзания воды при нормальном давлении полагается равным 100 градусам (=100 К). Таким образом, величина k определяется путем измерения свойств воды. Экспериментально найдено, что
(8.19)
(постоянная Больцмана). Если с помощью (8.18) исключить величину из (8.17), то получим
. (8.20)
(уравнение состояния идеального газа).
Таким образом, применив уравнения ньютоновской механики к отдельным молекулам, т. е. использовав их на микроскопическом уровне, мы ввели важное соотношение между макроскопическими величинами p, V и T (ср. (8.20) с (8.7)).
Учитывая равенство (8.20), уравнение состояния идеального газа можно переписать в виде
, (8.21)
где n есть концентрация молекул. Так как для одноатомного газа средняя кинетическая энергия совпадает со средней энергией поступательного движения , уравнение (8.21) представим как
. (8.22)
Произведение дает суммарную энергию поступательного движения n молекул. Таким образом, давление равно двум третям энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема газа.