Почему объём газа говорит о числе его частиц
Газ кажется сплошной средой, но состоит из отдельных молекул, движущихся в пространстве. Если взять равные объёмы разных газов и выровнять их температуру и давление, в них окажется одинаковое число таких частиц. Это и есть идея Авогадро: объём при заданных условиях служит мерой количества молекул, даже если сами молекулы нельзя увидеть.
Как давление и температура связывают объём с молекулами
Молекулы газа постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Их удары создают давление. При одной и той же температуре средняя энергия движения молекул одинакова; при одном и том же давлении газам нужно одинаковое пространство на одинаковое число частиц. Если частиц в одном сосуде было бы больше, их столкновения усилили бы давление — пока газ не расширился бы или условия не изменились.
В привычной формуле состояния газа это выражается просто: при постоянных температуре и давлении объём пропорционален числу частиц. Поэтому одинаковые объёмы дают одинаковое число молекул, хотя молекулы разных газов могут отличаться размером и массой. Для обычных газов это соотношение работает особенно хорошо, когда они не слишком сжаты и не охлаждены почти до превращения в жидкость: тогда взаимодействие между молекулами сравнительно мало.
Почему молекула — не всегда атом
Азот и кислород в воздухе обычно существуют в виде двухатомных молекул: каждая такая частица состоит из двух атомов. Поэтому закон сравнивает именно молекулы газа, а не обязательно атомы. В равных объёмах азота и гелия при одинаковых условиях будет поровну молекул и атомов гелия, но атомов азота — вдвое больше, поскольку каждая молекула азота содержит два атома.
Это различие помогло связать измеряемые свойства газа с его устройством. Из объёма и условий можно судить о числе молекул, а затем — вместе с другими измерениями — сравнивать состав и молекулярную массу веществ.
