Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Из трёх агрегатных состояний вещества наиболее простым для изучения является газообразное. В достаточно разреженных газах расстояния между молекулами намного больше размеров самих молекул (тогда как в жидкостях и твёрдых телах молекулы «упакованы» весьма плотно).Поэтому силы взаимодействия между молекулами таких газов очень малы.
Для описания разреженных газов в физике используется модель идеального газа. В рамках этой модели делаются следующие допущения.
1. Пренебрегаем размерами молекул. Иными словами, молекулы газа считаются материальными точками.
2. Пренебрегаем взаимодействием молекул на расстоянии.
3. Соударения молекул друг с другом и со стенками сосуда считаем абсолютно упругими.
Таким образом, идеальный газ — это газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосуда.
Оказывается, что ключевую роль в описании идеального газа играет средняя кинетическая энергия его частиц.
Частицы газа двигаются с разными скоростями. Пусть в газе содержится частиц, скорости которых равны
. Масса каждой частицы равна
. Кинетические энергии частиц:
Средняя кинетическая энергия частиц газа это среднее арифметическое их кинетических энергий:
Последний множитель — это средний квадрат скорости, обозначаемый просто :
Тогда формула для средней кинетической энергии приобретает привычный вид:
(1)
Корень из среднего квадрата скорости называется средней квадратической скоростью:
Cвязь между давлением газа и средней кинетической энергией его частиц называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Эта связь выводится из законов механики и имеет вид:
(2)
где — концентрация газа (число частиц в единице объёма). С учётом (1) имеем также:
(3)
Что такое ? Произведение массы частицы на число частиц в единице объёма даёт массу единицы объёма, то есть плотность:
. Получаем третью разновидность основного уравнения:
(4)
Можно показать, что при установлении теплового равновесия между двумя газами выравниваются средние кинетические энергии их частиц. Но мы знаем, что при этом становятся равны и температуры газов. Следовательно, температура газа — это мера средней кинетической энергии его частиц.
Собственно, ничто не мешает попросту отождествить эти величины и сказать, что температура газа — это средняя кинетическая энергия его молекул. В продвинутых курсах теоретической физики так и поступают. Определённая таким образом температура измеряется в энергетических единицах — джоулях.
Но для практических задач удобнее иметь дело с привычными кельвинами. Связь средней кинетической энергии частиц и абсолютной температуры газа даётся формулой:
(5)
где Дж/К — постоянная Больцмана.