气体压强的产生的微观理论研究

论文总字数：13041字

摘 要

本课题主要研究的是理想气体压强产生的微观理论，与其相关的微观公式推导和其状态量之间关系。并从微观的角度来解释宏观的现象，以利于更好的理解压强的含义，通过微观透彻的分析，方便能更深入的研究物质分子的本质，从而提高学习的乐趣与积极性。课题从理论分析与概念转换的角度出发，对微观分子（粒子）的运动规律进行假设与论证及气体压强概念理解的研究，借助数学的基础理论进行演算和利用MATLAB仿真软件来简单模拟相互论证，从认识压强的产生到理解与其产生相关的条件和要素。

关键词：理想气体、压强、微观本质、分子运动论。

Abstract：This topic is about the relationship between the microcosmic theory produced by ideal gas pressure and its related microscopic formula and its state quantity. From the micro point of view to explain the macro phenomenon, in order to better understand the meaning of the pressure, through a microscopic and thorough analysis, it is convenient to study the essence of material molecules more deeply, so as to improve the fun and enthusiasm of learning. From the perspective of theoretical analysis and conceptual change, the research on the movement law of microscopic molecules (particles) and the understanding of the concept of gas pressure is studied. The basic theory of mathematics is used to calculate and use MATLAB simulation software to simulate the mutual argument, from the generation of pressure to understanding and its production. Related conditions and elements.

Keywords： ideal gas, gas pressure, microcosmic nature, molecular motion theory.

目录

1 前言 5

1.1 气压的定义与解释 5

1.2 气压产生的原因 5

1.3 气体压强的证实 6

2 热力学基础 6

2.1 热力学第一定律 6

2.2 绝热过程 6

2.3 绝热过程方程的推导 7

3 气体动理论 8

3.1 状态参量 8

3.2 平衡态和平衡过程 8

3.3 理想气体的假设 9

3.4 公式推导 9

4 Matlab 相关模拟图 10

结 论 13

参 考 文 献 14

致 谢 15

附录 16

1 前言

罗马时代发现了一种奇特的现象：用来输送水的水管高度达到十米的时候，水就无法被输送上去，人类也早就知道把水管里的空气抽掉，水就会自然从水管流上来。当然由于时代原因，罗马人无法用科学的理论来理解这一奇特的现象。所以他们只能用亚里士多德的名言“大自然讨厌真空”来解释。大自然不让真空存在，所以当出现真空的时候，就会让水管里的水来补充。换一个角度来说，就是空气有重量，从而产生了压力，正是空气的压力把水从管子里往上压，才形成水往上流的现象。这种压力在单位面积上产生的效果便是压强的体现。不过，这个无法解释10米高度的现象。对此，伽利略提出了大自然的那种“厌恶” 是有限度的想法。接着伽利略的学生Torricelli便把老师的思想推进了一步。也就是我们现在所熟知的Torricelli实验^[1],并得出了大气压强的值。

图1（Torricelli水银柱实验，求出了当时大气压强的值101.325kPa）

1.1 气压的定义与解释

气体压强就是我们常说的气体对某一点施加的流体静力压强，而气体压强产生的主要原因是由大量的气体分子持续的撞击产生的。我们所说的大气压就是在地球表面的空气受到重力作用而产生的。当然由于各地区的空气层密度不等所产生的压强也不尽相同。一般情况下，靠近地表层的空气密度大，压强相对便会大些，高层空气稀薄，密度小，相对的气体压强也会相应的变小。当然空气密度只是其中的一个参考条件，也还存在着其它的相关因素。

1.2 气压产生的原因

气体压强产生的原因我们可以从两个方向分析——宏观角度和微观角度。宏观角度来讲，气体具有流动性，当气体压到地面或者地面上其它物体的时候，气体压力就会对这些物体产生作用，这种在单位面积上所产生的作用我们称之为气体压强。从微观角度来讲，由大量的运动无规则的分子组成气体，这些分子会碰撞浸在其中的物体，而每次碰撞，这些分子都会对物体产生一个力，这种大规模的持续碰撞产生的结果就体现为气体对物体表面的气压。

1.3 气体压强的证实

Otto von Guericke重做了Torricelli的这个实验，并断定了这个实验的正确性。在同年5月8日，Otto von Guericke 用两个半径为7英寸的半球，灌水之后合在一起，接着抽掉全部的水，形成一个真空的环境；周围大气把两个半球紧紧压在了一起。

随后，找来了八匹大马平分于半球两边，在马夫的扬鞭号令之下，大马背道而拉！最后，马累的筋疲力尽。但是，两个合在一起的铜球却纹丝未动。之后又相继增加马的数量，直到十六匹的时候，两铜球才发出“啪”的巨响，分成两半。此时Otto von Guericke 举起半球大喊：“你们该相信了吧！大气压是有的！是如此的厉害！”

这便是著名的“马德堡半球实验”。证明了气体压强的存在。实验中将球内的空气抽掉，让球内的分子粒子数量减少。球外的气体便把球压在一起，抽的空气越多，即粒子数减少的越多，压力越大，压强也越大。

图2（马德堡半球实验，证实了压强的存。）

2 热力学基础

热力学是研究物质热现象与热运动的一门学科，热力学只是通过观测和实验事实，从能量的观点出发来分析研究热力学系统状态^[2]。

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