ГДЗ по физике, 10 класс, Касьянов, номер 42.3: Распределение молекул газа по скоростям

Согласно молекулярно-кинетической теории, газ состоит из огромного количества молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. В отличие от жидкостей и твёрдых тел, где частицы удерживаются в определённых положениях силами межмолекулярного взаимодействия (притяжения), в газах расстояния между молекулами значительно больше размеров самих молекул.

Из-за больших расстояний силы притяжения между молекулами газа крайне малы и практически не влияют на их движение на макроскопических масштабах. Молекулы движутся прямолинейно до момента столкновения друг с другом или со стенками сосуда. После столкновения они меняют направление и скорость, но продолжают двигаться по инерции.

Рассмотрим поведение одной молекулы. Если бы на неё действовали значительные силы притяжения к другим молекулам или внешние поля (например, гравитационное поле Земли для лёгких молекул можно считать слабым фактором в контексте расширения в лаборатории), она могла бы остаться локализованной в определённой области пространства.

Однако, поскольку силы межмолекулярного взаимодействия в идеализированном газе пренебрежимо малы, единственной причиной изменения траектории являются упругие столкновения. Согласно первому закону Ньютона (закону инерции), тело сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы или их равнодействующая равна нулю. В данном случае «внешними» для конкретной молекулы являются другие молекулы, но их влияние сводится к случайному изменению вектора скорости, а не к удержанию в одной точке.

Миллиарды молекул, движущихся хаотично во всех возможных направлениях, неизбежно будут перемещаться в свободное пространство. Если открыть перегородку между сосудом с газом и вакуумом (или просто предоставить больший объём), молекулы, летящие в сторону нового объёма, не встретят сопротивления (так как там нет других молекул) и продолжат своё движение по инерции.

Этот процесс называется диффузией. Поскольку нет сил, которые могли бы «стянуть» молекулы обратно в первоначальный объём или удержать их в одной части нового объёма, они равномерно распределяются по всему предоставленному пространству. Это распределение характеризуется возникновением давления на стенки сосуда, обусловленного ударами молекул.

Проверим логику: если бы силы притяжения были велики (как в жидкости), молекулы не могли бы свободно разлететься, и жидкость сохраняла бы свой объём. Но эксперимент показывает, что газы занимают весь объём сосуда независимо от его формы и размера. Это подтверждает гипотезу о слабом взаимодействии молекул газа и их свободном тепловом движении.

Ответ: Газ неограниченно расширяется, потому что расстояния между его молекулами велики, силы межмолекулярного притяжения ничтожно малы, а сами молекулы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Благодаря этому они свободно перемещаются по инерции во все стороны, заполняя весь предоставленный им объём.