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牛顿第二定律与气体压力的计算 2010-12-23 14:02:58
如果把气体装在一个容器内,我们知道气体有压力。因为气体里的分子在容器壁上反弹,分子的速度发生了变化,也就是有加速度,因此容器壁必然给了分子一个力。反过来,分子对容器壁有反作用,这就是气体的压力。

考虑一个简单的一维模型,我们有一个质量为m的球,放在两块平行的挡板之间,然后球就两块板之间以速度v运动,球和挡板弹性极佳,所以球这么一直来回跑,碰到挡板就反弹转向。显然这里还需要一个参数,挡板之间的距离L。

假设球碰到这一头的挡板,然后反弹。过了时间 L/v之后,碰到另一头挡板,反弹,过了L/v之后,又碰到这一头的挡板,周而复始。周期是 2L/v,也就是球来回的时间。

球碰到挡板其速度反向,也就是说速度的变化是 2v。而这样的转向,平均2L/v时间发生一次。因此,球的平均加速度是 
a=2v/ (2L/v) = v^2/L

因此挡板受到的平均力是 f=ma = m * v^2 /L

假设挡板面积为A,那么压强P就是 P=f/A = m* v^2 /(L*A)

注意,L*A就是容器的体积V。因此 P = m*v^2 /V 

换言之 P*V = m*v^2 = constant

这叫气体的波伊尔方程。

补充:压缩气体,为什么气体会变热:
考虑一边的挡板是可以活动的,然后我们用手慢慢的推它,结果如何?
因为挡板在动,每次小球撞到挡板的时候就不是以原来的速度反弹了,
而是 v+u (u是挡板的速度)

经过时间 t 后,挡板运动距离为 u*t
小球反弹了 t/(2L/v)次,
因此小球的速度增加
u * t/(2L/v) = v * D /2L (D为挡板移动距离)



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