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這個(gè)問題對于固體、液體和氣體答案是不同的,因此我們分三種情況來看一下。 固體的壓強(qiáng)固體的壓強(qiáng)比較容易想象,固體的壓強(qiáng)主要是有重力引起的。由于壓強(qiáng)的定義是單位面積上的壓力,所以單位面積的力越大,該物體造成的壓強(qiáng)就會(huì)越高。因此,對于一種均勻的實(shí)心物體,它造成的壓強(qiáng)主要是由它的密度大小決定的。比如,兩個(gè)同樣形狀同樣大小的實(shí)心鋁塊和實(shí)心鐵塊,肯定是鐵塊放在地上的壓強(qiáng)高。 液體的壓強(qiáng)液體會(huì)造成壓強(qiáng)也是由于液體受到的重力所導(dǎo)致的。和固體不同的是,液體是流動(dòng)的。因此液體的壓強(qiáng)處處都會(huì)有,而且壓力和該處的截面所垂直。液體的壓強(qiáng)也和液體的密度有關(guān),但同時(shí)和深度有關(guān)。所處的位置距離液面越深,所受的壓強(qiáng)便會(huì)越大。這一點(diǎn)我們在游泳時(shí)便會(huì)體會(huì)得很明顯,對于深海探索的難度之一也在于此。生活在一些深海里的魚,適應(yīng)了深海的高水壓生活,被打撈上來之后,由于其體內(nèi)體外氣壓不平衡便會(huì)導(dǎo)致其死亡。 氣體的壓強(qiáng)平衡態(tài)氣體的壓強(qiáng)可以由平衡態(tài)理想氣體的物態(tài)方程PV = nRT得出,其中的P是壓強(qiáng),V是氣體體積,n是氣體的物質(zhì)的量,T是溫度,R是一個(gè)常數(shù)。可以看出,對于一定量的氣體,若溫度不變,則體積越小,壓強(qiáng)越大;若體積不變,則溫度越高,壓強(qiáng)越大。 我們可以更深入地看一下氣體的壓強(qiáng)。對于理想氣體的壓強(qiáng),歸根結(jié)底是由于氣體分子和器壁之間的碰撞產(chǎn)生的。很顯然,壓強(qiáng)的大小和分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。溫度越高,無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)越強(qiáng),氣體的壓強(qiáng)也就會(huì)越大。其次,壓強(qiáng)還和分子密度有關(guān),也就是和體積有關(guān)。體積越小,分子密度越高,氣體的壓強(qiáng)也會(huì)越大。所以我們可以猜測氣體壓強(qiáng)的表達(dá)式為:氣體壓強(qiáng) = 某個(gè)系數(shù)X氣體密度X氣體平均熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。實(shí)際上,這個(gè)關(guān)系式我們稍微運(yùn)用一點(diǎn)熱力學(xué)的技巧就可以推導(dǎo)出來。 圖1. 氣體分子和器壁之間的碰撞 更復(fù)雜的關(guān)系以上我們僅僅分析了最簡單的一些情況,而實(shí)際還會(huì)有更多更復(fù)雜的情況。比如對于非平衡態(tài)氣體或者流動(dòng)的液體壓強(qiáng)是怎樣的,對于等離子體壓強(qiáng)又會(huì)有什么不同。這個(gè)時(shí)候我們就要具體問題具體分析,看看所研究系統(tǒng)的性質(zhì)。 比如對于非牛頓流體,我們需要考慮流體的黏性;對于流動(dòng)的氣體,我們需要考慮氣體流速等等。這里說比較常見的一點(diǎn)。我們在初中時(shí)代也學(xué)過,氣體流速越大,壓強(qiáng)越小。這正是有名的伯努利原理。飛機(jī)之所以能上天和伯努利原理是密切相關(guān)的,球類運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)球也和氣體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系密切相關(guān),大家有興趣的可以多了解一下。 圖2. 科學(xué)家伯努利 |
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