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?
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?
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。
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。
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。
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)。
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。