第三節 氣壓的計算

若一個物體的動量,在一段時間 \(\Delta t\) 內改變了 \(\Delta p\),那麼在這段時間內,物體平均每時刻受到的力為 \[F=\frac{\Delta p}{\Delta t}\]

考慮在一個容器中,有大量的氣體分子在自由地運動。當氣體分子碰撞到容器內壁時,分子會受到內壁的作用力而令動量發生改變,同時內壁亦會受到分子的反作用力。由於分子連續而密集地碰撞內壁,以致內壁所受的力持續且大小穩定。這個力即等於氣體分子平均每時刻對容器壁的作用力。

假設容器為立方體,體積為 \(V\),其中含有 \(N\) 個氣體分子,每個分子的質量為 \(m\)。並且分子與內壁之間的碰撞都是彈性的。通過計算(見圖 1),我們可以得到,一面垂直於 \(x\) 方向的內壁平均每時刻所受作用力的大小,並由此得到它受到的氣壓為 \[p = N\cdot m\,\overline{v_x^2}\,/\,V\] 其中 \(\overline{v_x^2}\) 為容器內氣體分子在 \(x\) 方向速率平方的平均值。

一個質量為 \(m\) 的氣體分子,碰撞一塊固定的壁板並反彈。碰撞為彈性的。碰撞後,分子 \(v_y\) 不變,\(v_x\) 反向,分子動量的改變為 \(2mv\)。

如這個過程歷時為 \(\Delta t\),則平均而言,分子相當於在這 \(\Delta t\) 的時間內,平均每時刻受到一個向左的力 \[F'=\frac{2mv}{\Delta t}\] 的作用。而壁板則受到這個力向右的反作用力 \(F\)。


可以看到,壁板受到的作用力,只與分子在垂直於該壁板方向上的速度分量 \(v_x\) 有關。

現在,讓這個氣體分子在兩塊相距為 \(L\) 的平行壁板間來回地彈性碰撞。分子與壁板接觸的時間,以及分子的體積都忽略不計。此時分子以 \(T=2L/v\) 為週期碰撞右壁,可得右壁平均每時刻受到的作用力為 \[F=\frac{2mv}{T}= m v^2/L\]

現考慮一個長、寬、高均為 \(L\) 的立方體容器,其中有大量的氣體分子在容器壁間來回的彈性碰撞。 那麼,在 \(x\),\(y\),\(z\) 方向上,都有一對平行壁板。我們可以用上例中的方法計算壁板平均每時刻受到的作用力。

容器中一個分子對紅色壁板的作用力為 \[F= m\,v_x^2\,/\,L\] \(v_x\) 為該分子在 \(x\) 方向上的速率。

容器中全部分子對紅色壁板總的作用力為 \[\begin{align} F&=F_1+F_2+\ldots+F_N \\\\ & = N\cdot\overline{F} = N\cdot m\,\overline{v_x^2}\,/\,L \end{align}\] \(N\) 為分子的數目,\(\overline{F}\) 為分子對壁板作用力的平均值,而 \(\overline{v_x^2}\) 則為分子 \(x\) 方向上速率平方的平均值。

紅色壁板受到的力,除以它的面積 \(L^2\),即是它所受到的壓強 \[p=N\cdot m\,\overline{v_x^2}\,/\,L^3 = N\cdot m\,\overline{v_x^2}\,/\,V\] 此處 \(V=L^3\) 正是這立方體容器的體積。

計算氣壓與氣體分子運動的關係。
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