【题】气体分子处于不断的运动之中——这是物理知识告诉我们的。那么又如何解释分子的重量在真空容器中施加到了容器的底部这种现象?
【解】很多教科并没有对这个问题多加关注,但是实际上这个问题很基础,同时也时常困扰着学生,所以需要分析清楚。
相比容器上壁受到的压力,为什么容器中靠近地表的气体施加给下壁的压力要大些?而且这个压力大小为什么正好与容器中的分子总重量相等?
是因为上部气体和下部气体的密度在容器内是不相同的:高处的密度与空气中是一样的,比低处要小一些。气体的压缩程度越大,它所施加的压力当然就要越大些。所以气体对容器上壁施加的压力要比对下壁施加的压力更小。
我们通过具体实例分析一下:比如有一个高为20厘米,截面为100平方厘米的圆柱体容器。我们根据拉普拉斯公式可以知道,空气在常温下每升高20厘米,密度和压力就减少1/40 000。由此类推,假如容器中的空气也是处于常温状态下的,那么相对于容器上部来说,底部气体的密度就要多1/40 000。同理,压力之差也等于1/40 000。假设在n个工业大气压下,此时的空气给100平方厘米施加压力的重力大小就是:
1 000×n×100=100 000n(克)
因为底部受到的压力大小是与这个值的四万分之一相等的。所以
100 000n/40 000=2.5n(克)
这同样也是气体在容器中的质量大小。由于一个大气压下一升空气在常温中重1.25克,而该容器的容量是2升,所以
1.25×n×2=2.5n
最终这个问题就可以解决了。