Повітря (газ) має:
- малими щільністю, в'язкістю (внутрішнім тертям) і теплопровідністю,
- великою швидкістю дифузії,
- здатністю займати будь-який обсяг, який їм надано,
- відсутністю структури (наявністю лише хаотично «кочують» частинок).
Фізична модель газу: "ідеальний газ" - газ при температурі близько кімнатної (
300 К) і тиску порядку атмосферного (
10 5 Па), що складається з одноатомних молекул, які можна вважати невзаємодіючими матеріальними точками;
Маса частинки дуже мала
Тому використовують величину молярної маси. т. е. маси одного моля речовини. Вона пропорційна сумі відносних мас атомів в молекулі (вказані в таблиці Менделєєва):
Кількість речовини дорівнює відношенню числа частинок до числа Авогадро
де m - маса речовини, що дорівнює сумі мас частинок (молекул, атомів).
В одному молі міститься число Авогадро частинок.
Якщо частинки вважати «пружними кульками», то їх розмір описують величиною ефективний діаметр, т. Е. Реальний діаметр спільно з частиною простору, яке при зіткненні частинок недоступне через сил відштовхування. Інакше, ефективний діаметр - це мінімальна відстань, на яке можуть зблизитися центри частинок при зіткненні (рис.)
• При подальшому зближенні сили відштовхування істотно зростають, компенсуючи сили тяжіння (енергія взаємодії частинок мінімальна):
• На малих відстанях між частинками сили відштовхування переважають над силами тяжіння, і відбувається зіткнення частинок - вони не можуть зблизитися на відстань, меншу ефективного діаметра
Частинки здійснюють тепловий рух.
Тепловий рух - це безперервне хаотичний рух частинок, які стикаються один з одним випадковим чином.
Під час зіткнення сили відштовхування змушують частки «розлітатися», при цьому у кожної частинки змінюються (рис. 3):
• модуль і напрямок швидкості (за законом збереження імпульсу),
• пройдений шлях до наступного зіткнення.
• напрямок траєкторії (протягом деякого часу спостереження вона набуває вигляду ламаної лінії з відрізків різної довжини).
Після зіткнення сили Ван-дер-Ваальса швидко зменшуються, і рух молекул можна вважати рівномірним. «Вільним».
Випадковість зіткнень (імовірнісний процес) означає, що довжина вільного пробігу (шляху) між зіткненнями, швидкість і кінетична енергія будь-якої молекули є випадковими величинами.
Тому фізичний зміст мають середні значення цих величин.
Середня довжина вільного пробігу молекули
Оцінимо середню довжину вільного пробігу молекул повітря. При нормальних умовах температура повітря близько кімнатної, покладемо її рівною
а тиск дорівнює
Середня довжина вільного пробігу дозволяє визначити середню арифметичну швидкість молекули
де f (u) - щільність ймовірності (або функцією Максвелла), що дозволяє обчислити середню арифметичну швидкість.
Молекули речовини при одній тій же температурі рухаються з різними швидкостями. Розподіл молекул за швидкостями або кінетичним енергій називається розподілом Максвелла. Функція Максвелла (функція розподілу молекул за швидкостями) має вигляд (рис.):