Объясните, почему газ занимает весь предоставленный объем.

Газ заполняет весь предоставленный объём из-за сочетания двух вещей:

1. как устроены его частицы (молекулы/атомы),

2. как они движутся.

Разберу по шагам.

1. В газе частицы почти не связаны друг с другом

В твёрдых телах и жидкостях между частицами сильные притяжения:

• в твёрдом — они как будто «приклеены» к своим местам и только колеблются;

• в жидкости — могут перемещаться, но остаются довольно близко друг к другу.

В газе ситуация другая:

• расстояния между молекулами в среднем гораздо больше, чем их размеры;

• силы притяжения на этих расстояниях очень маленькие;

• каждая молекула почти всё время летит «сама по себе» и редко сталкивается с другими.

То есть газ — это не «плотная масса», а «рой» отдельных частиц, которые почти не держат друг друга.

2. Частицы газа находятся в постоянном хаотическом движении

По молекулярно-кинетической теории:

• частицы газа двигаются постоянно и хаотично;

• скорость теплового движения очень велика (сотни метров в секунду и выше, в зависимости от газа и температуры);

• направление полёта каждой частицы постоянно меняется из-за столкновений с другими частицами и со стенками сосуда.

Важно, что движение не направлено к какому-то «углу» или «части» объёма. Оно беспорядочное: молекулы улетают во все стороны.

3. Что происходит, если газу дать свободный объём?

Представим, что:

• газ сначала находится только в левой половине сосуда (справа – вакуум),

• перегородку между половинами убирают.

Что дальше?

1. У молекул нет никаких «уз» или сил, которые держали бы их в левой части.

2. Их траектории уже хаотичны: часть молекул направлена к бывшей перегородке.

3. Как только перегородка убрана, эти молекулы пролетают дальше — в правую часть.

4. Сталкиваясь, они «разбрасывают» друг друга всё дальше и дальше.

Через небольшое время молекулы окажутся разбросаны по всему доступному объёму. Причём процесс не требует внешней силы, это естественный результат их собственного хаотического движения.

4. Давление выравнивается по всему объёму

Газ оказывает давление на стенки сосуда, потому что молекулы ударяются о них. Если газ занимал бы только часть объёма, в остальной части давление было бы меньше (или ноль, если там вакуум).

Но:

• молекулы, попадая в область с меньшим числом частиц (меньшим давлением), реже сталкиваются с другими молекулами и легче «залетают» туда;

• со временем число частиц в каждой части сосуда стремится выровняться.

В итоге газ распределяется так, что:

• концентрация молекул (и давление) примерно одинаковы по всему объёму;

• это состояние устойчиво: нет предпочтительного направления движения, чтобы снова «собраться» в угол.

5. Связь с диффузией и вероятностью

Есть ещё удобное объяснение через вероятность:

• для каждой отдельной молекулы равновероятно оказаться в любой части доступного объёма;

• если молекул очень много (а их действительно колоссальное количество), то ситуация, где они все или большинство собираются в маленьком участке, крайне маловероятна.

Поэтому:

• наиболее вероятное состояние — когда молекулы распределены примерно равномерно по всему объёму;

• физика (через второе начало термодинамики) говорит: системы самопроизвольно стремятся к состоянию максимальной «беспорядочности» (энтропии).
  А равномерное заполнение объёма — как раз такое состояние.

6. Ключевые идеи в одном месте

Коротко, газ занимает весь предоставленный объём, потому что:

1. Его частицы почти не связаны друг с другом и свободно летают.

2. Их движение хаотично и непрерывно во все стороны.

3. Как только появляется новый доступный объём, часть частиц неминуемо туда залетает.

4. Столкновения «размешивают» частицы, пока они не распределятся примерно равномерно.

5. Такое равномерное распределение — наиболее вероятное и устойчивое состояние системы.

Поэтому любое количество газа, если ему не мешать (нет перегородок, нет сильных сил, удерживающих его в области), будет со временем заполнять весь доступный объём.