什么是真空,你知道真空是什么吗?

时间:2023-11-15 10:39:03

【题】你知道真空是什么吗?

什么是真空,你知道真空是什么吗?

【解】将容器里空气最大限度地稀释理解为真空是不正确的。无论气体多么稀薄,物理学家们也不会将它称为真空。从严格意义上来说,分子运动的自由路程的平均范围超出了容器就是真空的标志。

在1秒钟内,热运动的气体分子与其他的分子碰撞达到几十亿次甚至更多。分子所走的路程是在一个分子的两次相邻的碰撞之间的这个时间段里,就是分子的自由路程(没有碰撞发生的运动路程)。假如设在1秒内分子碰撞的次数为N,分子的平均速度是v(即分子在1秒钟内所走的平均路程),自由路程的平均大小为l,那么可得出方程式如下:

l=v/N

如果设空气分子在零度状态下运动的平均速度v≈500(米/秒)=500 000(毫米/秒),在常压下的碰撞次数N=5 000 000 000。所以分子的自由路程在压力等于76厘米水银柱的情况下就等于:

l=v/N=500 000/5 000 000 000 =0.000 1(毫米)

(实际上确定自由路程的方法恰好相反:通过实验可得出v和l,而通过计算可得出N。我们在这里想确定的仅仅是l,v,N之间的关系。)

假如气体气压是标准大气压的1/n,即气体被稀释了n倍,那么在每立方分米里分子的数量就会是原来的1/n,所以此时n=N。又因为

N=v/l

这样,自由路程l在认定v恒定的情况下(v与压力无关)就会n倍大。

假如将气体稀释1 000倍(也就是说压力是0.001毫米水银柱),那么对空气来说分子的平均自由路程就等于:

0.000 1×1 000 000=100(毫米)=10(厘米)

在长度大于10厘米的电子灯泡里,相比灯管本身的长度来说,在此压力下自由路程是比它要大的。换言之,分子在平均状态下,从一边内壁运动向另一内壁而不与任何其他分子相撞。由于在很少情况下电灯泡内的压力会比0.000 000 1毫米水银柱压力小,而灯泡内的自由路径将会大得多,甚至会达到几千米。气体在这种情况下所获得特征是那些分子相互碰撞的气体所不具备的。所以,在物理学上类似这种情况的分子也有了“真空”这么一个特殊的名字。

在体积更大的容器里,由于容器中的分子之间有碰撞的现象,所以气体被同样稀释是不会出现真空现象的。