Барометрическая формула. Распределение Больцмана
При выводе основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов и максвелловского распределения молекул по скоростям предполагалось, что на молекулы газа внешние силы не действуют, поэтому молекулы равномерно распределены по объему. Однако молекулы любого газа находятся в потенциальном поле тяготения Земли. Тяготение, с одной стороны, и тепловое движение молекул — с другой, приводят к некоторому стационарному состоянию газа, при котором давление газа с высотой убывает.
или
(45.2)
Выражение (45.2) называется барометрической формулой. Она позволяет найти атмосферное давление в зависимости от высоты или, измерив давление, найти высоту: Так как высоты обозначаются относительно уровня моря, где давление считается нормальным, то выражение (45.2) может быть записано в виде
(45.3)
где р — давление на высоте h.
32. Опыты Перрена. Воспользовавшись идеей распределения молекул по высоте (см. формулу (45.4)), французский ученый Ж. Перрен (1870—1942) экспериментально определил значение постоянной Авогадро. Исследуя под микроскопом броуновское движение, он убедился, что броуновские частицы распределяются по высоте подобно молекулам газа в поле тяготения. Применив к ним больцмановское распределение, можно записать
|
|
где т—масса частицы, т1—масса вытесненной ею жидкости; m=4/3pr3r, m1=4/3pr3r1 (r — радиус частицы, r —плотность частицы, r1 — плотность жидкости).
Если n1 и n2 — концентрации частиц на уровнях h1 и n2, a k=R/NA, то
Значение NA, получаемое из работ Ж. Перрена, соответствовало значениям, полученным в других опытах, что подтверждает применимость к броуновским частицам распределения (45.4).
Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории. Броуновское движение. Опыт Штерна. Опыт Ламмерта.