Физическим вакуумом называется состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега его молекул соизмерима с линейными размерами сосуда, содержащего газ

Из сказанного следует, что понятие вакуума относительно. Чем больше размер сосуда, тем меньше давление, при котором наступает состояние вакуума, и наоборот. Например, для газа, заключенного в пористых телах с диаметром пор менее 10^-7м, состояние при атмосферном давлении уже можно считать вакуумом, так как молекулы газа будут проходить сквозь эти поры, ударяясь о их стенки и не сталкиваясь друг с другом. В электронной лампе, размеры которой порядка нескольких сантиметров, состояние вакуума наступает при давлении»10^-7Па, а в электронно-лучевой трубке с линейными размерами в десятки сантиметров вакуум наступает при давлении порядка 10^-4 Па.

Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы

Напомним, что под числом степеней свободы тела понимают наименьшее число независимых координат, необходимых для полного определения положения тела.

Л. Больцман установил закон равномерного распределения энергии молекул идеального газа по степеням свободы: на каждую степень свободы молекулы в среднем приходится одинаковая кинетическая энергия, равная kT/2.

Таким образом, молекула с i -степенями свободы обладает средней кинетической энергией, равной

Рис.20.1

(20.1)

Заметим, что при определении числа степеней свободы молекул газов принимаются во внимание те степени свободы, которые вносят существенный вклад в ее кинетическую энергию.

Например, молекула одноатомного газа, принимаемая за материальную точку (рис.20.1.а) и способная совершать три независимых движениях (вдоль осей X, Y и Z), имеет три степени свободы. Следовательно, средняя кинетическая энергия такой молекулы . Этот вывод согласуется с выражением (15.25). Действительно, ввиду хаотичности теплового движения молекул кинетическая энергия каждой из них равномерно распределяется между тремя степенями свободы, так что в среднем на каждую степень свободы приходится энергия, равная kT/2.

Молекулу двухатомного газа можно представить в виде двух атомов, жестко связанных друг с другом (рис.20.1.б). Кроме трех степеней свободы поступательного движения, такая система имеет еще две степени свободы вращения вокруг осей Y и Z (вращение вокруг третьей оси X не вносит вклада в энергию молекулы, так как момент инерции молекулы относительно этой оси ничтожно мал). Таким образом, двухатомная молекула имеет пять степеней свободы и, следовательно, обладает средней кинетической энергией .

Молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеют шесть степеней свободы: три поступательных и три вращательных (рис.20.1.в). Для таких молекул .

Строго говоря, связи между атомами в молекулах реальных газов не являются абсолютно жесткими, поэтому при некоторых условиях (например, при повышенных температурах) эти связи скорее можно представить в виде упругих пружин, результатом чего являются дополнительные, колебательные степени свободы.

Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы приводит к выводу о равноправности всех степеней свободы молекулы: все они вносят одинаковый вклад в ее среднюю кинетическую энергию. Однако этот вывод имеет ограниченную область применимости и уточнен в квантовой статистике.