Глава VIII. Аэростатика

§ 167. Механические свойства газов

Механические свойства газов во многом сходны со свойствами жидкости. Как и жидкости, газы чрезвычайно подвижны и совершенно не обладают упругостью по отношению к изменению формы; по отношению же к изменению объема газы упруги: силы давления газа — это силы его упругости. Чем сильнее сжат газ, тем с большими силами давления он действует на соприкасающиеся с ним тела. Силы давления покоящегося газа, как и жидкости, всегда перпендикулярны к поверхности соприкасающихся с ним тел.

Давлением газа называется, как и в случае жидкостей (§ 144), отношение силы давления, действующей со стороны газа на какой-нибудь участок поверхности соприкасающегося с ним тела, к площади этого участка. Как и в жидкостях, давление газа в данной точке не зависит от ориентации участка поверхности, на который оно действует. Для газов справедлив также закон Паскаля: давление, создаваемое поверхностными силами, передается без изменения в каждую точку газа.

Однако в механических свойствах газов и жидкостей имеются и существенные различия. Плотность газов в обычных условиях примерно в тысячу раз меньше плотности жидкостей. Например, масса кубического метра воздуха равна всего 1,3 кг, а масса кубического метра воды равна одной тонне.

Обычно недооценивают массу тех или иных объемов газа. Заметим, что масса воздуха, проходящего при дыхании через легкие человека, составляет примерно 20-30 кг за сутки. Воздух в небольшой комнате имеет массу 30-40 кг. Электровоз везет в вагонах пассажирского поезда примерно 2 тонны воздуха.

Очень важным отличием газов от жидкостей является отсутствие у газов определенного собственного объема. Водой можно заполнить сосуд до половины, но газ всегда целиком заполняет весь сосуд, в котором он находится. Нет никакого предела для увеличения объема данной массы газа, если на него не действует сила тяжести или если его расширению не кладется предел стенками сосуда. Поэтому газы никогда не образуют свободной поверхности.

Далее, газы сжимаемы в тысячи раз более, чем жидкости. Плотность жидкости меняется ничтожно даже при очень большом давлении. Напротив, сильно сжать газ и тем самым сильно увеличить его плотность можно уже сравнительно малым давлением. Мы увидим (§ 229), что при сжатии или расширении газа его давление растет или убывает в том же отношении, что и плотность (при условии, что температура газа не изменилась).

Ручным насосом легко накачать в автомобильную шину воздух, занимавший в атмосфере вчетверо больший объем, т. е. увеличить плотность и давление воздуха в шине вчетверо по сравнению с атмосферным воздухом. В кислородных баллонах, применяемых при автогенной резке и сварке металлов, кислород сжат до давления 150 атм. Плотность газа при этом также оказывается увеличенной в 150 раз — примерно до плотности пробки. Если из такого баллона выпустить весь кислород в атмосферу, то он занял бы объем, в 150 раз больший объема баллона (рис. 272). В то же время вода, сжатая до давления 150 атм, увеличила бы свою плотность лишь на 0,75 % (и на такую же долю увеличила бы свой объем при выпуске из баллона).

Рис. 272. Баллон со сжатым кислородом и объем, который займет кислород из баллона, если его выпустить в атмосферу.

Таким образом, в отличие от жидкостей, плотность газов нельзя считать независимой от давления.