Мы выяснили, что тела состоят из молекул, а молекулы из атомов — одного
, двух и больше, ограничений нет. Говорили мы и о том, что только в начале XX в. атомизм стал общепризнанной теорией. Во всяком случае, четких представлений о строении вещества в XIX в. не было. Но в распоряжении ученых было достаточно достоверных фактов для того, чтобы построить вполне правдоподобные гипотезы. Итак, из трех химических законов и закона Авогадро вытекала гипотеза — все тела состоят из молекул, где под молекулой подразумевалась мельчайшая частица данного вещества, сохраняющая его химические свойства. Существование сил упругости дает основание если не утверждать, то предположить, что между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Такие явления, как диффузия, растворение дают основание сразу для двух предположений — между молекулами имеются промежутки и молекулы находятся в непрерывном движении. Все эти четыре предположения (гипотезы), часто называемые основными положениями молекулярно-кинетической теории, относятся к любым веществам — твердым, жидким и газообразным. Правда, вещества в разных агрегатных состояниях обладают разными свойствами. Твердое тело трудно деформировать, а жидкость меняет форму легко, но почти несжимаема, говорить о форме газа просто не приходится, а объем газа — это объем сосуда, в котором он содержится. Это только первые, бросающиеся в глаза отличия, но и они наводят на мысль о том, что агрегатное состояние тел связано с их строением. Из закона Гей-Люссака вытекает, что если зависимость объема идеального газа от его температуры экстраполировать до абсолютного нуля, объем обратится в ноль. В те времена еще не знали, что при низких температурах любой газ сжижается, а затем и кристаллизуется, но зато знали, что при низких температурах любой газ перестает подчиняться законам Бойля—Мариотта и Гей-Люссака, т. е. перестает быть идеальным. Но, если представить себе, что газ все-таки остается идеальным, рассуждал Клаузиус, то и тогда его объем не может стать равным нулю, потому что сами молекулы газа должны занимать некоторый объем. И первое предположение Клаузиуса о свойствах идеального газа с молекулярной тонки зрения звучит так: суммарным, объемом молекул идеального газа можно пренебречь по сравнению с объемом, занимаемым газом. Отсюда следует, если, конечно, первое предположение Клаузиуса справедливо, что расстояние между молекулами газа велико по сравнению с размерами самих молекул.
Из того факта, что расстояния между молекулами достаточно большие, можно предположить, что потенциальная энергия взаимодействия молекул мала и тогда второе предположение Клаузиуса можно сформулировать так: внутренняя энергия идеального газа равна суммарной кинетической энергии его молекул. На первый взгляд, это несколько противоречит тому определению внутренней энергии, которое мы дали в § 6, но дело в том, что, как мы увидим ниже, в молекулярной физике есть смысл рассматривать только энергию самих молекул, считая именно ее внутренней энергией тела.
Если второе предположение Клаузиуса справедливо, то на молекулу со стороны других молекул не действуют никакие силы, а, значит, двигаться они должны прямолинейно и равномерно. По крайней мере до тех пор, пока не столкнутся друг с другом или со стенками сосуда. Если это так, то понятно, почему газ занимает весь предоставленный ему объем.
Третье предположение Клаузиуса заключается в том, что столкновения между молекулами идеального газа носят характер абсолютно упругого удара. Заметим, что и предположение о равномерном и прямолинейном характере движения молекул идеального газа, и предположение об абсолютно упругом ударе означают распространение законов Ньютона на микромир.