谢凤吉
重庆三峡职业学院 重庆 404155
摘要1.34年前大学教材《普通物理》上的气压定义是:气压是气体分子对容器壁在单位面积上的撞击力。
2.我的气压定义是:气压是气体分子在单位面积上的热运动撞击力。
3.气体以空隙为主,分子之间的间隔很大,无法依靠分子之间的排斥力来传递重力。
4.气瓶内的气压按重力算为千帕级,而实际气压是兆帕级,按重力算的气压远小于实际气压。
5.重力只是约束气体分子不逃离地球,并且由于地球的吸引力在空中上小下大,使气体的密度也上小下大。
关键词 气压定义 气体分子热运动 重力
2020年上半年偶尔听到高中三年级的《地理》课讲到‘气压是重力形成的’,想到我五、六年前发表过的纠正《海洋与气象学》中关于气象学基础知识的几个理论错误的文章,看来是没人关注或论证得不够到位,决定再写本文深度驳斥‘气压是重力形成的’,再不能让这一错误观点误导成千万上亿读书人。
1.34年前许多大学教材《普通物理》上的气压定义是:气压是气体分子对容器壁在单位面积上的撞击力。我34年前于武汉工学院汽车专业学习,关于气体的知识学了《普通物理》《工程热力学》《空气动力学》,《普通物理》上还有关于力学的知识,用来探索气压的定义的基础应该差不多了。所以说‘气压是重力形成的’至少错了几十年了。
2.我的气压定义是:气压是气体分子在单位面积上的热运动撞击力
(1)证明:理想气体状态方程式:P=RρT其中P为气压,R为气体常数(对一定组成和量的气体是一定值),ρ为密度,T为绝对温度。理想气体状态方程式中的绝对温度T反映了气体分子热运动的强弱、密度ρ反映了作热运动的气体分子在单位容积上的数量。二者结合起来考虑,密度ρ不变时气压与绝对温度T成正比,即气压与气体分子热运动的强度成正比,我们就可以得出“气压是气体分子热运动撞击的结果”。又《普通物理》:温度表示物体的冷热程度,是分子平动动能的度量。这里的平动即热动,撞击是平动结果。另外由于气体分子热运动的无规则性,所以某点的气压在任意方向是大小相等。
(2)我曾发表过《关于气象学基础知识的几个新观点》和《浅析气象学基础知识中的几个错误理论》两篇文章,对我大学教材《普通物理》上的气压定义进行了提升,最后把气压产生的原因定格在气体分子的热运动撞击力上。
3.气压与重力无关
(1)气体以空隙为主,分子之间的间隔很大,无法依靠分子之间的排斥力来传递重力。而大气层越往上密度越小,分子之间的间隔更大,如何来传递重力?
360搜索‘水变成水蒸气体积的变化是’:每一个水分子的间隔就变成原来(成液态时)的1000000000倍,所以水分子之间的间隔很大,以至于整体的体积变大了。
百度‘分子间吸引力与排斥力’:很多物质的分子作用力半径约为分子直径的2~4倍左右,排斥力作用半径比吸引力半径小。从液体、固体很难压缩(例如施加4万大气压才能使水的体积减少为1/3)这一点可说明排斥力随分子质心间距的减少而剧烈地增大。
所以液体、固体可以传递重力,而气体分子之间的间隔远远大于分子直径的2~4倍就不能传递重力。
(2)气瓶内的气压按重力算为千帕级,而实际气压是兆帕级,按重力算的气压远小于实际气压。百度‘常用气体特性表’:氢气气瓶的气压是2600psig=17.914兆帕,氧气瓶的气压是兆帕2600psig,甲烷瓶的气压2400psig=16.536兆帕,二氧化碳瓶的气压是830psig=5.7187兆帕。这就是气体储存热能的能力不同导致R为气体常数不同产生的结果,可见气体种类不同对气压的大小影响很多很大。
(百度常用气体特性表:https://wenku.baidu.com/view/062b9158bcd126fff6050b1b.html)
(单位换算:1psig=0.00689Mpa 1帕=11N/㎡Pa 1Mpa=1兆帕 1米=1m=1000mm 1㎡=1平方米 1L=1升)
计算40升氧气按重力算氧气气瓶内的气压
百度‘40L氧气瓶装多少公斤氧气’:常温下压力为12MPa的40升氧气质量约为:40×120÷22.4×32÷1000=6.86Kg
(百度‘40L氧气瓶装多少公斤氧气’https://www.zybang.com/question/c5d067998946541e15aa2ce5933be969.html)
产生的重力=6.86×9.8=67.228 N(9.8为重力加速度,N为牛顿)
百度‘40L氧气瓶内径’:氧气瓶/钢质无缝气瓶 容积:40l(38l、36l);直径:219mm;高度:1450mm;气瓶总重:50kg;工作压力:15Mpa;水压试验压力:22.5Mpa;主体材料:37mn;设计壁厚5.7m。
(百度‘40L氧气瓶内径’https://product.11467.com/info/53442.htm)
计算40L氧气瓶的参数
内径=219-5.7=213.3㎜=0.2133m
横截面积=3.14÷4×0.2133×0.2133=0.03571505865≈0.0357㎡
40升氧气按重力算氧气气瓶内的气压=67.228÷0.0357=1883.1372549019607 N/㎡≈1883Pa=1.883千帕
计算40升二氧化碳按重力算氧气气瓶内的气压
百度‘40L二氧化碳气瓶装多少公斤二氧化碳’:二氧化碳气瓶容积单位为“升”,国标气罐40L,1升大概等于0.98公斤。但是二氧化碳罐装压力为6mpa至7mpa,灌满压力规定为4.5至5mpa。由于达不到液化压力所以实际满瓶co2的质量小于40L×0.98kg。https://zhidao.baidu.com/question/1449215813395282700.html
用氧气瓶装,按重力算的二氧化碳气瓶内的气压=40×0.98×0.98÷0.0357=1076.078431372549N/㎡≈1.076Pa=1.076千帕
(3)对气瓶加热气压升高而质量没变,压缩机压缩气体气压升高而质量没变,说明气压与重力无关,对学工科的人来说是常识。
证明:理想气体的状态方程式P=RρT其中P为气压,R为气体常数(对一定组成和量的气体是一定值),ρ为密度,T为绝对温度。对气瓶加热气压升高的理解:密度不变时(封闭的气瓶密度为定值),气压与绝对温度成正比;对压缩机压缩气体气压升高的理解:散热充分时,温度不变,密度与气压成正比,压缩密度增大故气压升高。若散热差,温度还升高,气压会升得更高。
4.重力对大气的影响。重力是地球对物体的吸引力重力,属于万有引力,大小与二者质量乘积成正比,与二者距离的平方成反比。重力只是约束气体分子不逃离地球,并且由于地球的吸引力在空中上小下大,使得气体的密度也上小下大。
最后希望我已联系过的几个出版社能尽快地改正气压的定义,不要把皇帝的新衣穿得太久,误导太多的学习者。
参考资料 1.《普通物理》
2.《常用气体特性表》
3.《关于气象学基础知识的几个新观点》 谢凤吉
4.《浅析气象学基础知识中的几个错误理论》谢凤吉