題:
為什麼氣體有重量?
Rima
2016-09-15 19:40:00 UTC
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我知道一種氣體是由原子或分子在太空中自由移動組成的。

當這些粒子撞擊它們所保留的牆壁時,會產生某種壓力。

但是這些粒子從不相互堆積,也不會因其重量而向下推動表面,因此我們可以將其作為重量而非壓力來測量。

那為什麼氣體有重量?

六 答案:
John Rennie
2016-09-15 19:51:33 UTC
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想像一個封閉的盒子中的氣體分子在盒子的頂部和底部之間垂直反彈。假設氣體分子的質量為 $ m $ span>,其頂部的速度為 $ v_t $ 。

當向上移動的氣體分子撞擊盒子頂部並反彈時,動量變化為 $ 2mv_t $ span>。如果它每秒進行一次 $ N $ span>次,則動量變化率為 $ 2Nmv_t $ span>,動量的變化率就是力,所以分子施加的向上力是:

$$ F_ \ text {up} = 2Nmv_t $$ span>

同一論點告訴我們,如果盒子底部分子的速度為 $ v_b $ span>,那麼它對底部施加的向下力盒子裡的是:

$$ F_ \ text {down} = 2Nmv_b $$ span>

所以向下的淨力是:

$$ F_ \ text {net} = 2Nmv_b-2Nmv_t = 2Nm(v_b-v_t)\ tag {1} $$ span>

但是當分子離開盒子的頂部並開始向下移動時,它在重力的作用下加速,因此當到達底部時,它已經加速,即 $ v_b \ gt v_t $ span>。因此,這意味著我們的淨向下力將為正,即分子具有重量。

我們可以通過使用SUVAT(請參見Keith Johnson的“為您提供物理學”)等式之一對此進行量化:

$$ v = u + at $$ span>

在這種情況下,這給了我們

$$ v_b-v_t = gt $$ span>

其中 $ t $ span>是分子從盒子頂部到底部所花費的時間。每秒使該往返次數為:

$$ N = \ frac {1} {2t} $$ span>

將這些代入方程式(1)中以獲得的力:

$$ F_ \ text {net} = 2 \ frac {1} {2t} m(gt)= mg $$ span>

$ mg $ span>當然只是分子的重量。

還要注意,頂部和底部的分子速度差異體現為容器頂部和底部之間的壓力差異,如靜態流體的壓力深度關係所示:$ \ Delta P = \ rhog \ Delta h $。
這讓我想知道:分子是否在水平方向彈跳?當然,重力會使它失去作用。但是,當分子剛好碰到盒子的側壁時,意味著盒子擺在哪裡的假想的足夠合理的尺度是否不考慮分子的重量?
-1
我看到,即使我們可以在盒實驗中設置這個假設的1個分子,並且該分子在理想的水平方向上開始,重力消除也使該路徑成為拋物線,從而用垂直分量撞擊盒壁。即使它隨機反彈,並且比例尺繪製的圖形也顯示了每次沖擊的垂直力,但我猜想,一段時間後,力的中位數就是分子量
再舉一個例子,拿一個密封的容器,並用加壓到常壓的普通氣體填充。現在稱量容器。現在將容器加壓至正常壓力的2倍。再次稱量容器。值的差異將為您提供所添加氣體量的權重,這也是原始氣體量的權重。
另一個例子。設置平衡的秤,一隻手臂上有一個砝碼,另一隻手臂上有一個“空”碗,然後將燒杯放在一邊。將大塊乾冰滴入燒杯中,使其昇華。二氧化碳氣體將保留在燒杯中。小心地拿起燒杯,將其倒在碗上。二氧化碳將掉入碗中,並取代較輕的“室內空氣”。較重的二氧化碳會導致天平的手臂失去平衡。
Ralph
2016-09-16 01:52:14 UTC
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想一想海洋就像海洋一樣。如果您在水下潛水,您可能不會認為水會增加體重,但是顯然,當您在杯子裡裝滿水時,您會感到水的重量增加了。大氣實際上只是表面上的氣態海洋。概括地說,如果您要在比地球大氣層高的建築物的邊緣點燃蠟燭(假設您有氧氣源),您會看到煙霧落向地球。

除非建築物高於36000公里;-)。
Moritz
2016-09-16 00:38:49 UTC
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這裡是一個簡短的答案:假設您有一個空盒子(即真空),放在秤上。它會有一些重量。現在,如果您要向其中插入一些氣體,那麼所測量的重量將精確地乘以氣體質量乘以重力得出的值。

從歷史上看,這是非常重要的一點,因為他們在稱重秤的密閉容器中燃燒物品(固體到氣體),並發現沒有可測量的重量損失。

在微觀尺度上,解釋(請參見其他答案,以了解詳細信息,這是簡寫形式)只是由於每個分子不斷向底部加速,因此它們以比盒子頂部更快的速度撞擊底部。實際上,這具有副作用,即頂部的壓力略低於底部的壓力。順便說一句,這種壓力差恰好等於氣體的重量。如果盒子很高,比如說……我們的大氣層高度,那麼壓力差就會變得很明顯。

最後,分子不堆積的“原因”是分子水平上的碰撞與宏觀上的球形碰撞有很大不同。在分子水平上,沒有由於摩擦或塑性變形(假設溫度相等)而導致的淨能量損失。用誇張的話來說:分子的碰撞是完全彈性的(不是完全正確,但是對於這裡的觀點來說足夠好),所以它們會永遠反彈。

這實際上是一個很好的答案,沒有人涉及“豐富”主題嗎?這是顯而易見的應用。氣體離心機通過增加加速度來增加重量。氣體也可能具有負重量(重量是用牛頓正確表示的矢量力),並且所有流體都可能具有溫躍層,在潮濕的日子裡打開冰箱,可見大氣中的氣體明顯地灑在地板上。但是方框說明非常好,因為它是一個“控件”示例。請記住結果取決於您要替換的流體的大小(一個阿基米德概念)。
它們並不是那麼有彈性-重要的是動量得以保持。因此,碰撞始終會改變單個分子的動量,但平均值保持不變-並且單個分子更可能將動量改變為更接近平均值。
Cape Code
2016-09-16 19:18:03 UTC
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因為它們有質量。

因此,當在重力場中時,它會加速向其他具有質量的物體運動,例如地球。

我喜歡簡短的答案。他們有質量,有重力。(從技術上講,重量=質量乘以重力。)
更重要的是,如果它們處於較高的重力環境中,氦氣和氫氣之類的氣體不會“漂浮”,它們會用砰的一聲撞擊地板。
Anthony X
2016-09-17 09:45:16 UTC
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如其他答案所述,氣體與所有其他物質一樣,都具有重量,因為它具有質量。考慮壓力時,通常是在示例中,施加在容器壁上的壓力要比由於重量產生的力大很多倍。

請考慮我們在海平面的大氣壓力為每平方米約101,325牛頓,密度為每立方米約1.225千克。這意味著由於氣體分子以約12牛頓(1.225 kg x 9.8 m / s / s)的運動運動,一米立方的空氣將以101,325牛頓的力向下推動地面氣體量。儘管101,325牛頓實際上代表的是一平方米空氣柱的重量,一直到達太空。

另一種看待它的方法:我們知道大氣壓力會隨著海拔的升高而降低。說大氣壓力隨深度增加是更正確的,因為它上方的塔中的空氣重。就地球而言,一列高數百英里(儘管幾乎所有列都位於底部100英里之內)。

Luo Zeyuan
2018-10-14 12:48:55 UTC
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如果我錯了,請糾正我。

1)固體中的原子具有很少的動能(KE),氣體中的原子具有大量的KE。 但是,由氣體施加在容器上的淨力和由固體施加在容器上的淨力是相同的(在沒有重力的情況下),在這種情況下為零,因為這些力抵消了。如果我們要在均勻的重力場中放置兩個容器,一個包含一個固體,另一個包含一個氣體(固體和氣體具有相同的質量),則每個容器的頂部和底部表面之間的壓差實際上是相同的(因為兩個容器中的分子數量相同,每個分子上的平均淨力只是分子的重量,向上移動的氣體分子現在將以較低的速度向上移動,向下移動的氣體分子將以較高的速度向下移動)。唯一的區別是,包含氣體的容器側面的壓力高於包含固體的壓力。

2)固體中的原子固定在位置上,因此始終與秤接觸。氣體中的分子通常漂浮在周圍並且僅在短時間內(與它們碰撞時)與秤接觸。 結果,固體將在秤上施加恆定的力,而氣體僅在分子與秤碰撞時才施加力。我們可能錯誤地認為,結果是固體傳遞的力比氣體傳遞的力大。但是,如果我們將固體或氣體隨時間施加的力平均化,我們會發現它們實際上是相同的。這是因為在相同的時間段內,氣體分子與固體原子碰撞時會在水垢上施加更大的力。

編輯:而且,固體中的原子不會加速。一旦受到重力的作用,它們便將其傳遞至其下方的原子。氣體中的分子可以加速,因此它們碰撞時可能會施加更大的力。



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