Основные опыты с газами и постановка задачи

Газы обладают огромным количеством различных физических свойств: механических, тепловых, электрических, оптических.

Явления, в которых проявляются некоторые из свойств газов, можно пронаблюдать, поставив относительно несложные опыты.

При изучении положений молекулярно-кинетической теории, мы уже сталкивались с отдельными свойствами газов. Вспомним, что если в цилиндр, заполненный газом, например, воздухом, находящимся при нормальном атмосферном давлении, вставить поршень с хорошо притертой манжетой и подействовать на этот поршень с некоторой силой, газ, находящийся в цилиндре, достаточно легко сожмется. Если снять с поршня нагрузку, газ вновь расширится, проявляя тем самым свои упругие свойства.


Охладим воздух, находящийся в стеклянном шаре, поместив шар в снег (или в холодную воду). После этого опустим резиновую трубку, прикрепленную к шару, в прозрачный сосуд, заполненный водой и повысим температуру воздуха в шаре, нагревая его руками.

Пузырьки, выходящие из трубки, свидетельствуют о том, что объем воздуха, находящегося внутри шара, при нагревании увеличивается.

Для исследования зависимости давления газа от занимаемого им объема при постоянной температуре, соберем установку, состоящую из соединенных тонким шлангом гофрированного сосуда и манометра. Когда давление газа в сосуде равно атмосферному, стрелка манометра стоит против нулевого деления.

Объем гофрированного сосуда может изменяться. Так как при этом площадь его поперечного сечения остается постоянной, объем газа, заключенного в сосуде, оказывается пропорциональным высоте сосуда. Будем сжимать газ и фиксировать значения высоты гофрированного сосуда и давления газа.

Значения полученных величин отобразим на графике зависимости давления от объема. Результаты опыта свидетельствуют о том, что в нашем опыте, в пределах точности измерений, между давлением газа и его объемом при постоянной температуре существует обратно пропорциональная зависимость.


Для исследования зависимости давления газа от его температуры при постоянном объеме, соберем установку, состоящую из соединенных тонким шлангом сосуда и манометра. Когда давление газа в сосуде равно атмосферному, стрелка манометра стоит против нулевого деления. При открытых вентилях манометра так, чтобы полость сосуда сообщалась с атмосферой, поместим сосуд в чашу с тающим снегом. По прошествии некоторого времени перекроем с помощью одного из вентилей на манометре сообщение сосуда с атмосферой. Перенесем гофрированный сосуд в емкость с кипящей водой. Судя по показаниям манометра, по мере прогревания газа, его давление растет и увеличивается примерно в 1,4 раза по сравнению с первоначальным.

Таким образом, пока на качественном уровне, можно еще раз сделать следующие выводы.

  • Газы не имеют ни собственной формы, ни собственного объема, а принимают форму и занимают объем сосуда, в котором находятся.
  • Газы достаточно хорошо сжимаются, но при сжатии они проявляют упругость.
  • При нагревании, если нет тому ограничений, объем газов увеличивается.
  • Если же газы находятся в сосуде постоянного объема, то при их нагревании увеличивается давление.
  • Давление газов и их объем также связаны друг с другом. Если возрастает одна величина, то уменьшается другая.

Уже первые попытки описать состояние газа и процессы, происходящие с ним в предложенных опытах, приводят нас к необходимости применять специальные понятия.

Такими понятиями являются давление, объем и температура. Обозначим их буквами латинского алфавита p, V, t и назовем макроскопическими параметрами состояния газа.

Объем – понятие геометрическое. Его мы касаться не будем.

Давление и температура – понятия физические. Описывая свойства газов, поставим вопросы, связанные с этими двумя параметрами.

  • Мы знаем, что газ оказывает давление на стенки сосуда, в который он помещен. Возникает вопрос: почему газ давит на стенки сосуда?
    Параллельно можно поставить вопрос: как рассчитать это давление?
  • Степень нагретости газа характеризуют понятием температура. Определим это понятие с физической точки зрения.

Также ответим на вопрос: что такое градус (какие параметры газа и как изменяются, если температура его изменяется на 1 градус)?

В качестве исходной позиции, при ответе на поставленные вопросы, можно использовать основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ):

  • Газ состоит из молекул.
  • Молекулы хаотично и беспрерывно движутся.
  • Молекулы взаимодействуют между собой.

Описывая поведение газа с позиции трех положений МКТ, мы будем говорить о параметрах молекул: их массе, скорости движения. Соответственно, можно говорить об энергии молекул. Назовем эти параметры микроскопическими.

С учетом сказанного, уточним исходную задачу: в процессе описания свойств газов связать их макроскопические и микроскопические параметры.