В этих статьях я хочу вернуться на "грешную" Землю, от микро и макро мира, и на пальцах рассмотреть, что происходит в газовой среде.
Почему я решил это написать?
По той простой причине, что я всё время в своих статьях пишу о газовых вихрях, градиентах давлений и прочих, набивших оскомину, явлениях, но ни как нигде не было рассмотрено, а что же на самом деле происходит в газовой среде на самом элементарном уровне.
Но для начала, почему именно газ?
Мы знаем, что у вещества (а если взять вообще, то и материи) существует три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газовое.
Ещё называют четвёртое - плазму. Но Плазма, на самом деле, это частный случай газовой среды, но при определённых условиях.
Итак.
Твёрдое тело (ТТ). По твёрдому телу написано множество учебников, от всяких теоретических (и я в университете целый курс по ТТ прошёл), до чисто практических. И особенность этого агрегатного состояния в том, что все частицы вещества (материи) при помощи какого-то взаимодействия соединяются в определённую структуру, которая не меняет свою форму без каких-либо серьёзных воздействий.
Это означает, что возникшая форма уже ни как не измениться и зависит от вида взаимодействия частиц между собой.
Жидкость. В жидкой материи, частицы из которых она состоит, уже не связаны в какую-то конкретную форму, в силу отсутствия связей между частицами. Но в тоже время, энергия движения этих частиц ещё не достаточна, чтобы преодолеть поверхностное натяжение (давление внешней среды), чтобы покинуть этот однородный (состоящий из одного материала) объект.
И, наконец, газ. Собственно сам газ - это частицы материи, ни как не связанные друг с другом. Единственное взаимодействие, которое возможно между ними, это только случайные столкновения.
***
Также хотелось напомнить ещё несколько простых понятий.
Это явление представляет собой беспорядочное движение частиц материи.
Понятно, что в ТТ его нет. А присутствует оно только в жидкостях и газах.
Так как в жидкости беспорядочное движение частиц ограничено только объектом, то мы будем рассматривать только газовую среду.
Частицы материи во время броуновского движения движутся с разными скоростями и в разных направлениях. Потому мы называем его хаотическим.
Но если попытаться усреднить это движение, то получим, что (понятно ограничиваемся определённым объёмом, померять всю Вселенную мы не в состоянии):
- усреднённое направление движения в общем равно нулю. Т.е. газ никуда не движется.
- средняя скорость движения частиц имеет вполне определённую величину и подавляющая часть частиц в этом объёме движется со скоростями, близкими к этой усреднённой (нормальное или Гаусовское распределение ).
Если поместить в такой объём газа руку или датчик, то мы получим определённое воздействие на них. Руку конечно совать не следует, но запомним, что это воздействие газа (да и жидкости) есть результат взаимодействия (столкновения) частиц материи с рукой или датчиком.
Рука это воспринимает, как тепло или холод.
По этой причине, броуновское хаотическое движение назвали ещё и тепловым, а параметр воздействия газа на руку или датчик - температурой газа.
И как мы выяснили, температура газа зависит от средней скорости хаотического движения частиц газа. Это справедливо и для жидкости. И даже частично для ТТ, потому что в ТТ хоть частицы и не перемещаются хаотически, но колеблются с определённой частотой в отведённом им месте в структуре ТТ.
***
Общее количество частиц материи, например вещества, очень огромно даже в очень маленьком объёме.
Число Авогадро - количество частиц материи в определённом объёме (1 моль) имеет число сравнимое с 10^23 частиц (^ - степень).
Поэтому разобранные усреднённые величины хорошо характеризуют состояние материи.
Но представим себе такую ситуацию, когда мы возьмём для примера настолько маленький объём, что количество частиц материи в нём уже можно легко пересчитать и заметить их скорости и направления перемещения.
Что тогда получим?
Как видим на рисунке 1 есть некое количество частиц, которые движутся в разных направлениях и разными скоростями (направление и длинна стрелочек).
На первый взгляд обычная картинка броуновского (теплового движения).
Но если присмотреться, то можно заметить, что не совсем всё хаотично.
На рисунке 2 я обвёл область, где часть частиц, если суммировать их направления, то можно понять, что эта группа частиц будет двигаться примерно в одном направлении.
Вот таким случайным образом маленький объём, назовём его слоем, получил общее самостоятельное движение среди общего хаотического.
Что же дальше произойдёт?
Тут несколько вариантов.
1. Если на пути этого слоя возникнет такой же слой газа, только с примерно встречным курсом, то оба слоя разрушаться, если будут примерно одной массы (количества частиц). Если массы будут разные, то разрушится слой с меньшей массой, а слой с большей массой будет продолжать своё первоначальное движение, только потеряет часть своей кинетической энергии (часть своих частиц).
2. Если отдельные частицы с боков слоя будут пытаться столкнуться с частицами слоя (рисунок 3), то обе частицы оттолкнуться друг от друга. Причём в этом случае будут следующие эффекты:
- частица из движущегося слоя отразится вглубь слоя, т.е. получается как бы уплотнение слоя и дополнительный импульс в направлении движения слоя;
- внешняя частица отразиться от слоя освободив это пространство, т.е создавая разряжение у слоя.
Таким образом на примере этих частиц мы видим, что если слой будет продолжать двигаться, то при бомбардировке (воздействии) на боковые поверхности слоя внешних частиц (давлении) слой может:
- ускорятся;
- уплотнятся;
- понижать давление около себя.
И так до тех пор, пока не встретиться аналогичный объект, с которым при взаимодействие может:
- при попутном направлении произойти объединение;
- при встречном направлении произойти разрушение.
Понятно, что подобный механизм образования газовых слоёв возможен и в больших масштабах.
Таким образом мы "на пальцах" рассмотрели механизм образования газовых слоёв и их свойства.
