Рис. 25. Вероятностные контуры (фигуры с радиальными линиями) свободного пробега молекулы в объеме газа. Показано на примере последовательных стадий выравнивания градиента давления (и концентрации) с начального момента снятия перегородки, разделяющей газ при разных давлениях в сосуде, до полного выравнивания градиента давлений. Стрелками показано направление ориентированного движения молекул

Если в закрытом сосуде все молекулы газа распределяются равномерно, т.е. находятся в условиях одинакового давления, то вероятностный контур каждой молекулы имеет правильную сферическую форму,

80

так как вероятная длина свободного пробега до соударения с соседними молекулами одинакова во все стороны. При различии давления в разных участках сосуда, когда имеется меньшее количество молекул в направлении пониженного давления, вероятностный контур приобретает асимметричную конфигурацию. Если существуют различия в давлении на границе между двумя частями газа, разделенными перегородкой, то в начальный момент после удаления этой перегородки вероятностный контур имеет конфигурацию двух соединенных полусфер - большего и меньшего диаметра. Когда давление газов в сосуде начнет выравниваться и обладать определенным градиентом, вероятностный контур приобретает конфигурацию, среднюю между этой фигурой и полной сферой, т.е. будет соответствовать асимметричному эллипсоиду вращения, в котором центр смещен в сторону более плотного газа. Это связано с тем, что молекулы до соударения с соседними совершают более длительный пробег в сторону более разряженного газа, так как здесь молекулы более удалены друг от друга, чем в обратном направлении. Следовательно, каждая молекула, совершающая более длительный пробег в сторону меньшей плотности (т.е. концентрации) и благодаря этому дальше уходящая от исходной точки, задерживается на этой стороне более длительное время, чем на противоположной, и поэтому перемещается в эту сторону. Следует учитывать, что молекулы при обычных давлениях в основном находятся в свободном полете и на собственно соударения затрачивают менее 1/1000 времени. Именно различие в длине свободного пробега каждой молекулы и является непосредственной причиной движения газа в целом в сторону пониженного давления.

Однако это различие объясняет только направленность движения молекул. Между тем известно, что расширение газов осуществляется с определенной силой, которую можно, например, фиксировать, когда лопается воздушный шарик или стреляют из духового ружья. Объяснение этой силы следует искать в большей частоте соударений молекул в направлении пониженной их концентрации, чем в обратном. Для понимания этого необходимо представить себе, что в расширяющемся газе поставлена подвижная перегородка, о которую ударяются молекулы, тем самым перемещая ее. В той стороне, где концентрация молекул больше и, следовательно, больше и давление, молекулы чаще ударяются об эту перегородку, чем с обратной ее стороны, где молекул меньше. Поэтому большее количество ударов молекул с одной стороны заставляет перегородку перемещаться с силой пропорциональной различию в количестве этих ударов. Необходимо подчеркнуть, что большее количество ударов создается за счет возможности для каждой молекулы после отскока от перегородки быстрее вернуться к ней вследствие большей