От случайных ударов — к давлению
Молекулы газа движутся быстро и беспорядочно, но их совместное действие подчиняется простому правилу: ударяясь о стенки сосуда, они передают им импульс. Миллиарды таких ударов за мгновение складываются в давление. Поэтому оно действует не только вниз, как вес жидкости, а во все стороны — в том числе на боковые стенки и изгибы трубы.
Столкновения молекул друг с другом обычно не прекращают движение, а перераспределяют его: одни ускоряются, другие замедляются, направления меняются. В среднем газ сохраняет температуру, а отдельные молекулы не движутся строем. Если же весь газ направлен по трубе вентилятором или перепадом давления, к беспорядочному движению добавляется общее смещение потока.
Почему газ смешивается и проходит через узкие места
Между столкновениями молекула успевает пролететь некоторое расстояние; его называют длиной свободного пробега. В плотном газе соседей больше, поэтому столкновения происходят чаще и этот путь короче. В разреженном газе молекулы пролетают дальше, прежде чем изменить курс.
Именно случайное движение постепенно переносит молекулы из областей, где их много, туда, где их меньше. Так происходит диффузия: запах распространяется по комнате даже без заметного сквозняка. В транспортных системах этот процесс важен наряду с направленным потоком — например, при вентиляции или утечке газа: поток переносит газ целиком, а молекулярное перемешивание разносит его внутри и вокруг потока.
Так что газ в трубе не похож на поезд из частиц, где каждая строго следует за предыдущей. Даже при организованном движении поток складывается из хаотических траекторий, а давление на стенки возникает из бесчисленных микроскопических столкновений.
