如何理解大氣壓強?

時間 2021-05-14 11:48:05

1樓:北大學長跳跳

高中物理熱學的模組中,以下三個公式是核心考點:

是考點也是難點,很多同學不理解為什麼溫度不變壓強和體積成反比、為什麼體積不變壓強和溫度成正比。因此不會用公式或經常用錯公式。其實這是因為你對氣體壓強的概念沒有理解到位,今天我們把它講透。

在說氣體之前,我們先來說說固體。在桌子上放乙個重物,接觸面的壓強是怎麼產生的呢?這個大家都知道,是因為重物對桌面有壓力,壓力除以接觸面積就是壓強,換句話說,壓強就是單位面積的壓力大小。

上面這個例子裡面壓力直接來自於重物。

無論是氣體還是固體,其實壓強的本質都是一樣的,即單位面積的壓力大小。之所以大家覺得固體壓強很好理解而氣體壓強不好理解是因為不清楚氣體壓強中的壓力是什麼 。

氣體是一群不斷做熱運動的分子,這些分子會不斷的撞擊裝氣體的容器壁。每個分子撞擊一次就相當於對容器壁施加了乙個力,雖然這個力很小,施加時間很短。但是架不住咱「人」多啊,氣體分子數量眾多,不斷的撞擊容器壁,結果就相當於對容器壁施加了乙個穩定的壓力,這個壓力除以容器壁的面積,就是氣體的壓強。

舉個很形象的例子來進一步說明一下這個壓力:

拔河大家都玩過。一條繩子兩方同時拉,哪方給的拉力大就能贏。看起來繩子兩端都會持續受到拉力,但是如果我們來看其中的乙個運動員發力的過程,其實是不連續的,他是腳不斷地往前登,一下下把繩子往後拽,每拽一次就拉了一下繩子。

但是人數多,每個人拽的頻率也比較高,因此看上去就是對繩子施加了持續不斷穩定的拉力。

每個運動員就相當於乙個氣體分子,繩子就相當於容器壁,繩子上的拉力就相當於容器壁受到的壓力。每個分子提供的力是非連續的,作用時間很短,但是當分子數多,頻率快時,就可以看做是對容器壁提供了穩定的力。

因此氣體壓強=撞擊到容器壁的氣體分子的力/容器壁的面積

首先我們再拆解一下「撞擊到容器壁的氣體分子的力」,這個力=單位時間撞擊到容器壁的分子數*每個分子的力。這個拆解是顯而易見的,就不多說了。

將拆解的結果帶入上面的式子,可得:

壓強=單位時間撞擊到容器壁的分子數*每個分子的力/容器壁的面積

(注意,這個式子不是公式,只反映影響壓強的因素)

下面我們逐一分析這三個因素:

單位時間撞擊到容器壁的分子數:單位時間撞擊到容器壁的分子數跟跟氣體質量有關,氣體質量越大,氣體分子越多,單位時間撞擊到容器壁的分子數也就越多。因此可以用質量來表達分子數。

單個分子撞擊力度:單個分子撞擊力度與分子撞擊速度有關,而溫度越高分子運動速度越快,撞擊力度越大。因此可以用溫度來表達撞擊力度。

容器壁的面積: 為了簡單起見,我們假設這個容器就是球體,體積越小容器壁面積越小。因此可以用體積來表達撞擊面面積。

基於以上分析,我們的式子進一步改寫成:

壓強=氣體質量*溫度/體積

(注意,嚴謹的寫法是理想氣體定律pv=nRT,兩個式子表達的意思是一樣的,但是我認為我的式子更加直觀好理解)

下面我們來分析一下文章開頭的這三個定律。

玻意耳定律: 由壓強=氣體質量*溫度/體積,質量和溫度不變時,體積越小相當於分母越小,值就越大,即壓強越大。

查理定律:由壓強=氣體質量*溫度/體積,質量和體積不變時,溫度越高,相當於分子越大,值就越大,即壓強越大。

蓋-呂薩克定律:由壓強=氣體質量*溫度/體積,質量不變時,要想讓壓強也不變,相當於要保持值不變,那分子分母要麼等比例增加要麼等比例降低,因此壓強不變時,體積和溫度成正比。

2樓:周欣宇

想象一下,一大早,你們全校同學都在操場上做早操。

做完以後,校長突然講話說:「同學們,為了增強體育鍛煉,今天第一節課我給大家放一節課的假,請大家在操場上隨意跑動,不要回到教室就行。」

先不管這是不是有點危險,總之你們全校同學都立刻像開了過鍋一樣,一邊聊天一邊在操場上肆意奔跑。

------這就是空氣的狀態。空氣中有大量分子在做無規則運動。

繼續想象,假設你們學校臨時和另乙個學校合用乙個操場,中間用長長的一堵塑料泡沫的牆隔開,但這堵牆並沒有固定在地上,因為比較寬才沒有倒下。剛才你們校長讓你們放假了,同時對面學校也發布了放假指令。

於是你將看到兩撥人在操場的兩部分瘋跑。其中不少人都撞向了塑料泡沫牆。假設兩個學校人差不多多,兩邊撞向牆的人也差不多多,所以牆雖然有一定的移動,但大體上還保持在原位。

這時候,突然另乙個學校的學生全部都離開了,也許是他們校長只讓他們放假半節課。而你們學校的學生還在瘋跑,並且肆無忌憚的撞向那堵牆,於是,那堵牆就越來越向沒人的操場那邊移動了。

------這是一邊是真空(即沒有氣體分子。事實上絕對的真空幾乎是不可能的,半球試驗中也只是很接近真空而已),而另一邊有空氣的狀態,空氣中的分子碰撞界壁,給真空部分帶來壓力。

再次想象,假如另乙個學校的學生是被兩堵弧形的牆圈在了操場當中,然後他們突然撤離了(比如...挖地道?),而牆面非常結實,比如是用鋼鐵做的,不會被撞變形(撞的同學可能會很疼...

好吧,外面墊上一層泡沫塑料)。這時候有幾個老師想在不讓你們停下——校長說的話誰敢不聽——的情況下把牆分開。他們能做到嗎?

當然不能,因為有無數個同學正在把牆往中間撞。

-----這就是馬德堡半球的狀況。因為外面有大量分子撞擊,裡面卻沒有能和它抵消的力,所以產生了向內的強大壓力。壓力的大小和空氣中分子運動速度的快慢和分子質量的大小有直接關係,哦,就是同學胖不胖和跑得快不快

總之,空氣中並不是什麼都不存在,而是像我們平常接觸到的各種物質一樣,存在大量的物質分子(可以想象成不斷運動的小圓球),只不過這種物質無色無味,通常也沒什麼阻力,所以我們感覺不到罷了。

氣體和液體類似,都可以通過縫隙滲透到其他地方,但是氣體又比液體運動力更強,因為它們會傾向盡量佔滿整個空間。打個比方,固體是合唱時緊緊排成的隊形,液體比較像體育課為了活動開而排成的間隔一臂、如果有障礙物還要躲開的長隊,而氣體就像自由活動、瘋狂奔跑的少年們,會肆無忌憚的跑到操場中的每乙個角落。很明顯的,操場越大,他們撞向某堵牆、把牆往外推的機會越低。

向所有在這個實驗中奮不顧身撞向牆壁的同學們致敬

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