Статьи и речи - Максвелл Джеймс Клерк

Этот процесс так называемой диффузии, происходящий в газах и в жидкостях и даже в некоторых твёрдых телах, может быть подвергнут опытному исследованию и даёт одно из самых убедительных доказательств движения молекул.

Новые успехи молекулярной физики начались с изучения механического эффекта столкновений этих движущихся молекул, когда они ударяются о твёрдое тело. Само собой разумеется, эти летящие молекулы должны ударяться о всякое тело, находящееся среди них, и эти постоянно повторяющиеся удары составляют, согласно нашей теории, единственную причину того, что называется давлением воздуха и других газов.

По-видимому, впервые начал догадываться об этом Даниил Бернулли, но для проверки теории у него не было тех средств, какие имеем теперь мы. Ту же теорию позднее и независимо выставил Лесаж из Женевы; однако он занялся главным образом объяснением тяготения посредством ударов атомов. Затем Герапат в своей «Математической физике», появившейся в 1847 г., сделал уже более обширное приложение теории к газам, а д-р Джоуль, об отсутствии которого на нашем собрании все мы сожалеем, вычислил действительную скорость молекул водорода.

Дальнейшее развитие теории, как вообще полагают, началось с мемуара Крёнига, в котором, насколько я могу судить, нет никаких улучшений того, что было сделано раньше. Однако, как кажется, он обратил на этот предмет внимание профессора Клаузиуса, и вот ему-то мы и обязаны большей частью того, что с тех пор было сделано.

Все мы знаем, что воздух или какой-нибудь другой газ, заключённый в сосуде, давит на стенки сосуда и на поверхность всякого тела, находящегося внутри сосуда. По кинетической теории, это давление своим происхождением всецело обязано молекулам, ударяющимся о поверхность и таким путём сообщающим ей ряд импульсов, которые следуют один за другим с такой быстротой, что производимый ими эффект нельзя отличить от эффекта непрерывного давления.

Если дана скорость молекул и число их изменяется, то, так как каждая молекула в среднем ударяет в стенки сосуда одинаковое число раз, сообщая импульсы одинаковой величины, каждая будет вносить одинаковую долю общего давления. Следовательно, давление в сосуде данных размеров пропорционально числу молекул в нём, т.е. количеству содержащегося в нём газа.

Это — полное динамическое объяснение того факта, открытого Робертом Бойлем, что давление воздуха пропорционально его плотности. Оно показывает также, что из различных частей газа, нагнетаемого в сосуд, каждая производит свою долю давления независимо от остальных, причём все равно, будут ли это части одного и того же газа или нет.

Допустим теперь, что скорость молекул увеличивается. Каждая молекула будет теперь ударять в стенки сосуда большее число раз в секунду, и, кроме того, импульс каждого удара будет также возрастать в той же самой пропорции, так что доля давления, вносимая каждой молекулой, будет изменяться как квадрат скорости. Но увеличение скорости соответствует, по нашей теории, возрастанию температуры, и таким путём мы можем объяснить действие нагревания газа, а также закон, открытый Шарлем, что пропорциональное расширение всех газов для данных пределов изменения температуры одинаково.

Динамическая теория говорит нам также и о том, что происходит, когда молекулы различных масс сталкиваются друг с другом. Большие массы будут двигаться медленнее меньших, так что, в среднем, каждая молекула, большая или малая, будет иметь ту же энергию движения.

Доказательство этой динамической теоремы — ив этом я заявляю свои права на приоритет — в последнее время получило широкое развитие и усовершенствование благодаря трудам д-ра Людвига Больцмана. Самое важное следствие, из неё вытекающее, состоит в том, что кубический сантиметр любого газа при постоянных температуре и давлении содержит одинаковое число молекул. Таково динамическое истолкование закона Гей-Люссака об эквивалентных объёмах газа. Но теперь мы должны обратиться к частностям и вычислить действительную скорость молекулы водорода.

Кубический сантиметр водорода, при температуре таяния льда и под давлением одной атмосферы, весит 0,00008954 грамма. Мы должны найти, с какой скоростью эта малая масса должна двигаться (вся ли вместе или её отдельные молекулы — все равно) так, чтобы произвести наблюдаемое давление на стенки кубического сантиметра. Это вычисление в первый раз сделано было д-ром Джоулем и дало 1859 метров в секунду. Такое значение мы привыкли считать большой скоростью. Оно больше любой скорости, получаемой в артиллерийской практике. Скорость других газов меньше, как видно из табл. на стр. 81, но во всех случаях она очень велика по сравнению со скоростью пули.

Обратимся теперь к молекулам воздуха, которые летают в этом зале по всем направлениям со скоростью почти семнадцати миль в минуту.

Если бы все эти молекулы летели в одном и том же направлении, они образовали бы ветер, дующий со скоростью семнадцати миль в минуту; приблизительно с такой скоростью дует ветер, вылетающий из жерла пушки. Как же, следовательно, вы и я можем стоять здесь? Единственно потому, что молекулы летят по различным направлениям, так что те, которые ударяют нас сзади, позволяют нам выдерживать бурю, которая бьёт в нас спереди. В самом деле, если бы эта молекулярная бомбардировка приостановилась хотя бы на мгновение, наши бы вены вздулись, дыхание прекратилось и мы буквально погибли бы. Но молекулы ударяют не только о нас или о стены комнаты. Воспомним, что число их громадно и что они летят по всевозможным направлениям, и мы поймём, что они не могут избежать соударений. Как только две молекулы столкнулись, их пути изменяются и обе они летят в новых направлениях. Таким образом каждая молекула постоянно изменяет свой путь, так что, несмотря на большую скорость, пройдёт ещё много времени, пока они очутятся далеко от той точки, из которой начали двигаться.

У меня здесь сосуд, содержащий аммиак. Аммиак — это газ, который легко узнается по своему запаху. Его молекулы движутся со скоростью 600 метров в секунду, так что если бы их полет не прерывался столкновениями с молекулами воздуха этого зала, всякий, даже в самой дальней галерее, почувствовал бы запах аммиака прежде, чем я успел бы произнести название этого газа. Но вместо этого каждая молекула аммиака, сталкиваясь то и дело с молекулами воздуха, идёт то одним, то другим путём, и, подобно зайцу, который всегда делает петли, хотя и проходит большой путь, но мало подвигается вперёд. Как бы то ни было, но запах аммиака уже начинает чувствоваться в некотором отдалении от склянки. Газ будет распространяться в воздухе, хотя и медленно, и если бы могли закупорить все отверстия этого зала, чтобы сделать его непроницаемым для воздуха, и оставить так на несколько недель, то аммиак равномерно смешался бы с воздухом во всех частях зала.

Это свойство газов, в силу которого один газ может диффундировать в другой, было впервые замечено Пристли. Дальтон показал, что оно совершенно независимо от какого-либо химического действия диффундирующих газов. Грэхем, специально занимавшийся исследованиями этих явлений, которые, по-видимому, проливают свет на молекулярные движения, тщательно изучил диффузию и впервые получил результаты, на основании которых может быть вычислена скорость диффузии.

Позднее скорость диффузии одного газа в другой была в высшей степени тщательно измерена профессором Лошмидтом в Вене.

Он помещал оба газа в две одинаковые вертикальные трубки так, чтобы более лёгкий газ находился выше тяжёлого, чтобы избежать и образования потоков. Затем он открывал выдвижной клапан, чтобы сделать из двух трубок одну; приблизительно через час он закрывал клапан и определял, сколько одного газа перешло в другой.

Так как большинство газов невидимы, то, чтобы показать вам диффузию газов, я должен взять для этого два газа, аммиак и хлористоводородную кислоту, которые при смешивании дают твёрдый продукт. Аммиак, как более лёгкий, помещён над хлористоводородной кислотой, с слоем воздуха между ними; вы скоро увидите, что газы диффундируют один в другой сквозь этот воздушный слой и при смешивании образуют облачко белого дыма. Но во все время, пока длится процесс, нельзя открыть ни потоков, ни какого-либо видимого движения. Каждая часть сосуда кажется такой же спокойной, как банка с неподвижным в ней воздухом.