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大气压与大气重力有关吗

来源:空间站 时间:2025/3/12

跟固体、液体一样,气体也能产生压强。大气产生的压强称为大气压。

值得注意的是,气体压强是统称,包括地球附近大气层中气体产生的大气压,也包括密闭空间中气体产生的气体压强,例如气球中气体产生的气体压强。

为了便于学生理解,沪科版初中物理教科书将大气压与液体压强进行类比。类比的好处是易于理解,但学生容易误以为气体压强与气体重力有关。此时,碰到以下问题就会感到迷惑不解。

在杯口处放置一块“轻质气膜”,对气膜进行受力分析可知道,气膜外侧受到大气压,内侧受到杯内气体的压强。气膜处于平衡状态,由此可知大气压等于杯内的气体压强。

杯外大气的重力显然远远大于杯内气体的重力,但两者产生的压强竟然一样!由此可见,气体压强与其重力无关。

空间站中的气体处于微重力状态,宇航员可以正常呼吸,说明空间站中的气体可以产生压强。在没有重力(微重力)的情况下,气体仍然可以产生压强,进一步说明气体压强的产生与重力无关。

我们可以做一个实验,验证气体压强与其受到的重力无关。把一个装有一定量气体的密闭铁罐,从地面移到空间站,同时确保温度和体积保持不变,然后分别测量气体在地球和空间站时的压强。从地面到空间站,气体重力发生了变化,但气体压强并没有发生变化,因此气体压强与重力无关。

那么气体压强是怎么产生的呢?气体压强大小又与什么有关呢?

从微观上来讲,气体是由大量分子组成的,这些气体在不停地做无规则运动。固体和液体内部的分子只能在较小的范围内做无规则运动,分子间作用力较强;气体则可以在较大范围内自由运动,分子间的作用力较弱,在一定条件下甚至可以忽略。

做无规则运动的气体分子撞击物体表面时,会对物体表面产生力的作用,由此产生气体压强。这个过程类似于雨滴撞击伞面而对伞面产生的压力和压强。

相比之下,固体对物体表面产生的压强,则主要是由于固体分子间的作用力产生的。固体分子不能自由运动,对其它物体表面产生的撞击效果较弱。固体分子间的间距较小,分子间存在较强的作用力。在重力的作用下,固体被压缩变形,分子间距进一步变小,分子间的作用力表现为斥力,这个斥力作用在桌面上,表现为固体对桌面的压力和压强。如果没有桌面的阻碍,固体不会被压缩,也就不会产生压强,例如在固体做自由落体运动时,是无法对其他物体表面产生压强的。液体压强与固体压强类似,产生原因主要是分子间的排斥力。

那么,气体压强究竟与什么有关呢?

根据理想气体状态方程pV=nRT可知,气体压强P与气体体积V、气体物质的量n(即气体分子的个数)和温度T有关,其中R为普适常数。公式进一步变形得p=(n/V)RT,也就是说,气体压强与气体分子密集程度(n/V)和温度(T)有关。

温度越高,分子动能越大,撞击物体表面产生的作用力就越大;分子密集度越高,同时撞击物体表面的分子数量就越多,总的作用力也就越大;另外,温度越高,分子运动速度越快,单位时间里撞击物体表面的总分子数量越多,总的作用力也就越大。因此,温度越高,分子密集度越高,气体压强就越大,与重力无直接关系。

需要注意的是,理想气体忽略了分子间的作用力,是一种理想模型。实际中,只要气体压强不是太大,气体就可以看成理想气体。

至此,我们就很容易解释杯内和杯外气体压强为什么会相等的问题了。杯内和杯外气体的密集程度和温度是一样的,因此产生的压强也就相等了。

尽管气体压强与重力无关,但重力会影响气体分子的密集程度,进而对气体压强产生影响。

由于重力作用,地球大气层中的气体分子呈梯度分布。海拔越高,重力越小,空气中的气体分子越稀薄,即气体密集程度越低,大气压就越小。

综上所述,气体压强是由气体分子撞击产生的,气体压强大小与温度和气体分子密集程度直接相关。

气体压强与重力的具体关系如下:

一、在没有重力的情况下,气体仍然可以产生压强,从这个意义上来说,气体压强与重力无关。

二、在地球附近,由于重力的作用,大气层中的气体密集程度发生变化,海拔越高,大气压越小,从这个意义上来说,重力对大气压大小有影响。这里仅指大气压,不含气体压强。

三、在地球附近,重力对有限的密闭空间中的气体所产生的气压压强没有影响。例如,把一瓶气体从地面移到高空,气体重力大小发生变化,但气体压强不发生改变。

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