При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул, подобные приведённому на рисунке 2.
Если подсчитать путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отдельные совершаемые ими за это время колебания, то мы заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, а следовательно-, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.
Таким образом, и в случае твёрдых тел, так же как и в случае жидкостей и газов, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной "тепловой материи"; мы (можем вместе с Ломоносовым сказать: "теплота состоит во внутреннем движении материи".
Частицы твёрдых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких "кочующих" частиц в твёрдых телах невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.
Таков характер движения (молекул в газообразных, жидких и твёрдых телах. Посмотрим теперь, как знание законов этого движения помогает нам объяснять многие явления, помогает покорять природу.
7. Молекулярная артиллерия
Газы и пары играют важную роль в различных машинах. Водяной пар толкает поршень в цилиндрах паровых машин, приводит в быстрое движение колёса турбин. Газы, образующиеся при сгорании топлива, заставляют работать различные двигатели внутреннего сгорания, приводя в движение автомобили, тракторы, самолёты. Вылетающие из реактивного двигателя газы сообщают большие скорости реактивным самолётам. Газы, получающиеся при взрыве пороха, придают огромные скорости снарядам различных орудий.
Для увеличения промышленной мощи нашей родины, для того чтобы строить хорошие турбины, паровозы, тракторы, для укрепления обороны страны, для постройки мощных пушек, для создания самолётов — всюду необходимо знание свойств газов.
Понять и объяснить свойства газов позволяет движение молекул. Знание законов этого движения даёт возможность предвидеть поведение газов в различных условиях.
Разберёмся в этом.
Если уменьшать объём, занимаемый каким-либо Газом, газ сопротивляется этому. Совершенно отчётливо это можно ощущать, когда накачивают воздухом велосипедную шину.
Сопротивление газа сжатию называют упругостью. Упругость — одно из основных свойств всех газов.
Как объяснить упругость, в чём её причина?
Попробуем ответить на этот вопрос, пользуясь нашими знаниями о строении газов. Представим себе такой опыт. У обычных весов, на которых взвешивают хлеб, одна чашка плоская, а другая в виде тарелки. Выставим весы на дождь и над вогнутой чашкой устроим навес так, чтобы дождевые капли на неё не попадали (рис. 13). Дождевые капли будут ударяться об открытую плоскую чашку весов и стекать с неё. Удары отдельных капель будут складываться и как бы давить на чашку, которая при этом опустится. Чтобы привести весы в равновесие, надо положить на вторую чашку гири. Уравновесив весы и подсчитав вес положенных гирь, мы определим силу, с которой дождь давит на открытую чашку весов.
Если теперь заменить плоскую чашку чашкой того же веса, но больших размеров, то для уравновешивания весов понадобится и больше гирь. Следовательно, один и тот же дождь давит на большую чашку весов с большей силой. Поэтому если мы хотим указанным способом охарактеризовать силу, с которой давят падающие капли дождя, то необходимо условиться, каких размеров мы будем брать плоскую чашку. Проще всего принять поверхность такой условной чашки равной одному квадратному сантиметру.
Если для поддержания весов в равновесии в описанном опыте пришлось положить на закрытую чашку 400 граммов, а поверхность открытой чашки была 20 X X 20 = 400 квадратных сантиметров, то, значит, дождь давил на чашку с силой, равной 400 г/400 см2, то-есть с силой в 1 грамм на каждый квадратный сантиметр поверхности чашки.
Силу, приходящуюся на единицу поверхности, называют давлением, и мы можем сказать, что давление дождя в описанном опыте равнялось одному грамму на квадратный сантиметр поверхности.
Какое же отношение имеет сказанное к свойствам газов? Самое непосредственное!