【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第四章气体的性质

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳。另外这套老教材中的力的单位常用公斤，如今是不允许的，力是不能使用公斤为单位的。】

§4-1气体的状态，压强

【01】在第一册中，我们已经学过一些液体和气体所共同遵守的定律。

【02】我们知道，气体和液体对浸入其中的物体都施有压力。液体和气体都没有一定的形状，而且都很容易流动，所以往往把它们统称为流体。正是因为液体和气体具有上述的共同特性，所以它们都遵循反映这些特性的规律，如确定流体浮力大小的阿基米德定律，表征流体传递压强的巴斯噶定律等【山注||  巴斯噶就是帕斯卡，以前对外国人名的音译尚未进行规范，因此常五花八门】。

【03】但是，由于气体分子的分布和运动情况跟液体中的分子不一样，气体还具有一些不同于液体的性质，因此，也有一些定律只适用于气体而不适用于液体。本章所要讨论的就是这些定律。

【04】大家都很熟悉，对固体施加压力，很不容易使它的体积缩小；对液体也是这样，只是程度有所不同而已。对固体或液体加热，使它们的温度升高，体积的膨胀也很小。这说明，在不大范围内的压强变化和温度升降，对于固体和液体的体积或密度的影响并不显著。

【05】但是对于气体来说，情况就不是这样的了，压强和温度的变化对它的体积具有十分显著的影响。当我们用力压挤小橡皮球的时候，受压挤的地方就凹下去，这是由于压强增加使球里空气的体积缩小了。在上一章中，我们也已经看到，气体受热时体积的膨胀要比固体和液体大得多。不仅压强和温度对气体的体积有很大的影响，实际上，气体的压强、体积和温度是密切联系着的。如果把小橡皮球拿到火炉上面烘一下，它就会变得更硬一些，这说明温度的升高引起了球里空气压强的增加。又如把稍微有些瘪的乒乓球放到沸水里泡一泡，它会重新鼓起来，这说明球里的空气受热后体积膨胀而且压强也增加，所以才会鼓起来。给篮球或车胎打气的时候，我们都觉察到，打气筒里气体的体积缩小，压强增加，而且从打气筒的剧烈变热，可以知道气体的温度也升高了。

【06】从上面的一些例子中可以看到，对于一定质量的气体来说，它的压强、温度和体积这三个量中只有一个量改变而其余两个量都不改变的情况是没有的。气体的压强、温度和体积表明了气体的状态。对一定质量的气体来说，如果这三个量都不改变，我们就说气体处于一定的状态中。如果这三个量中有二个量改变或者三个量都改变，我们就说气体的状态改变了。

【07】下面我们先来研究一定质量的气体只有两个量改变时的情况，然后再研究这三个量都改变的情况。

【08】为了使同学们在学习中能够掌握问题的本质，有必要从分子运动论的观点来阐述一下这三个物理量的意义。

【09】前面已经讲过，温度是分子热运动平均动能的标志。物体温度的升高或降低，标志着分子平均动能的增加或减少。

【10】我们知道，由于气体分子闻的相互作用力很小，所以热运动使分子充满了所能够达到的全部空间。因此，处于某一容器里的气体，它的体积实际上就是指这个容器的容积。我们必须注意，气体的体积跟它的分子体积的总和是完全不同的两回事。举例来说，在标准状况下【指温度为0℃、压强为76厘米高水银柱的状况】，气体分子的总体积只占气体体积的万分之四；即有体积为10公升的气体，其分子的总体积只有4厘米³，其余的9996厘米³都是空隙。当我们压缩气体时，减少的只是气体分子之间的空隙和平均距离，分子本身的体积是不能被压缩的。如果把气体的体积从10公升压缩到100厘米³，那么分子之间的空隙就减为96厘米³，而分子的体积就占气体体积的百分之四了。

【11】最后我们来谈一下气体压强的概念。气体对容器内壁的压强，是由于运动着的气体分子撞击器壁而产生的。虽然每一个气体分子对器壁的撞击是不连续的，而且作用力也很小，但是由于气体分子的数目非常大，它们不停地撞击器壁就产生了持续的、数值相当大的压强。又因为气体分子都在作无规则的运动，平均地讲，对器壁任何一处的碰撞次数和碰撞作用是一样大的，所以气体对器壁各方面的压强就完全相等。

【12】气体对容器内壁所施加的压强的大小，究竟跟哪些因素有关呢？我们知道，压强是单位面积上所受的垂直于这个面积的作用力，它的常用单位是达因/厘米²、大气压、厘米高水银柱、公斤/厘米²等。不难想象，单位面积的器壁在1秒钟内所受到的撞击次数越多，每一次撞击时所产生的作用力越大，压强也就越大。这就是说，决定气体压强大小的因素有两个：

【13】第一，压强跟气体的压缩程度有关，也就是跟单位体积内的分子数或气体的浓度有关。例如，往车胎里多打进一些空气，或者把封闭的车胎压扁一些，我们就会感觉到，胎中空气对胎壁的压强增大了一些。

【14】第二，气体的压强跟它的温度有关。因为温度的升高标志着气体分子运动速度的增加，速度大了，分子撞击器壁的次数也随之而增加，而且每一次撞击所产生的作用力也增大，例如，在夏天烈日下行驶后的自行车，它的轮胎会变得更硬一些。

【15】因此，我们可以说，单位体积内所含有的分子数越多，气体温度越高，那么，气体对容器内壁所施加的压强也就越大。

习题4-1

1、什么叫做压强？它的常用单位有哪些？76厘米高水银柱的压强相当于多少克/厘米²，相当于多少达因/厘米²？

2、气体对容器内壁的压强是怎样产生的？这个压强的大小跟哪些因素有关？试扼要说明理由。

3、在夏天烈日下行驶的车辆，如果车胎里的气打得太足，有时车胎会发生爆裂，这是什么道理？

4、玩具气球里装的是空气，如果把它放在火炉上面烘一会儿，它就会向上升起，等一忽儿，它又会下降，试说明这种现象。

5、你能不能举出一些事例来说明气体的体积随压强的变化？