Почему давление газа увеличивается при сжатии и уменьшается при расширении?

Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к основам молекулярно−кинетической теории и законам газов. Давление газа связано с движением его молекул, и понимание этого процесса становится ключом к объяснению явления.

1. Что такое давление газа?
   Давление газа — это сила, с которой молекулы газа давят на стенки сосуда, делённая на площадь этих стенок. Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении и сталкиваются как друг с другом, так и со стенками сосуда. Когда молекула ударяет стенку, она передаёт ей импульс, что в сумме создаёт давление. Чем больше частота и сила таких ударов, тем выше давление.

2. Связь между объёмом и движением молекул газа
   Если объём сосуда уменьшается (сжатие газа), то молекулам становится меньше места для движения. В результате:

   • Уменьшается среднее расстояние между молекулами.
   • Частота столкновений молекул со стенками сосуда увеличивается, так как молекулы проходят меньшее расстояние между ударами.
   • Увеличивается общее число ударов молекул о стенки сосуда за единицу времени, что приводит к росту давления.

Обратная ситуация происходит при увеличении объёма сосуда (расширении газа):
− У молекул становится больше пространства для движения.
− Среднее расстояние между молекулами увеличивается.
− Частота их столкновений со стенками сосуда уменьшается, что приводит к снижению давления.

1. Закон Бойля−Мариотта
   Это явление описывается законом Бойля−Мариотта для идеальных газов: при постоянной температуре произведение давления газа (P) на его объём (V) остаётся постоянным:
   $$ P \cdot V = \text{const}. $$
   Если объём газа уменьшается, то давление увеличивается, чтобы произведение $P \cdot V$ оставалось неизменным. Аналогично, при увеличении объёма давление уменьшается.

2. Энергия молекул и температура
   При изменении объёма при постоянной температуре средняя кинетическая энергия молекул не изменяется. Это означает, что скорость движения молекул остаётся той же самой. Однако частота столкновений молекул со стенками сосуда изменяется из−за изменения расстояния, которое молекулы проходят между столкновениями. Именно это влияет на давление.

3. Практическая иллюстрация
   Представьте воздушный шарик. Когда вы сжимаете его руками, объём воздуха внутри уменьшается, и молекулы начинают чаще сталкиваться с внутренними стенками шарика. Это приводит к увеличению давления внутри шарика, из−за чего его стенки начинают сильнее растягиваться. Если, наоборот, шарик расширяется, молекулам становится больше места, частота их столкновений со стенками уменьшается, и давление падает.

4. Реальные газы и отклонения
   В реальных газах при очень сильном сжатии или при низких температурах молекулы начинают взаимодействовать друг с другом (например, притягиваться или отталкиваться). Эти факторы могут немного изменять соотношение между давлением, объёмом и температурой. Однако в условиях, далеких от таких экстремальных случаев, поведение газа вполне соответствует описанному выше.

Таким образом, изменение давления газа при сжатии или расширении объясняется изменением частоты и интенсивности столкновений молекул со стенками сосуда. Это явление подчиняется законам молекулярно−кинетической теории и законам газов, таким как закон Бойля−Мариотта.