气体的压力与温度关系
把定量气体密封在刚性容器里加热:它的温度与压力会一起上升。跟着气体、压力表与温度计,看懂为什么压力—温度是一条过原点的直线。
把定量气体密封在刚性容器里加热:它的温度与压力会一起上升。跟着气体、压力表与温度计,看懂为什么压力—温度是一条过原点的直线。
取定量气体,密封在体积无法改变的容器里加热。它的温度升高——压力也随之升高。两者以简单而整齐的方式一起变化:压力与绝对(开尔文)温度成正比。绝对温度翻倍,压力也翻倍。
这是三大气体定律之一,也解释了日常中的种种警示。放在阳光下的气瓶、架在火上的密封罐、在高速上跑热了的汽车轮胎,都会因为温度升高而升压——因为气体无法膨胀逃逸。把密封容器和那条笔直的 P–T 直线并排放在一起,正比关系一眼就能看懂。
气体被封在一只刚性容器里,它能占据的空间始终不变。因为分子没有地方铺开、也没有通过膨胀降温的余地,热气体给出的每一分推力都会表现为压力,而不是体积变化。
加热源向气体加入能量 Q。这些能量变成气体分子的动能,于是它们运动得更快。在图上,温度计读数上升,分子抖动也随之加快。
温度本质上衡量的是分子平均运动有多快。分子越快,每一次撞击壁面时给出的冲击越大,每秒撞击的次数也越多,作用在壁面上的总力随之增大。
作用在固定壁面积上的力增大,就是压力升高,压力表读数随之变大。体积不变时,压力与绝对温度成正比——没有门槛,也没有滞后,只是平稳地上升。
把压力对绝对温度作图,每一个测量点都落在同一条直线上,而且这条线向后穿过原点。因此比值 P/T 恒定,得到 P₁/T₁ = P₂/T₂。这正是温度必须从绝对零度起算的原因。
对定量气体、在体积不变的前提下,压力与绝对温度成正比。加热气体,压力随之升高;冷却气体,压力随之下降,而压力与温度的比值保持不变。
因为只有在绝对温标下,这条正比直线才经过原点。真正给分子增加能量的是它高出绝对零度的多少,所以公式 P₁/T₁ = P₂/T₂ 只有两个温度都用开尔文时才成立。
加热给分子更多动能,它们运动更快,撞击容器壁更用力、也更频繁。每秒更强力的碰撞更多,作用在壁面上的压力自然更高。
如果体积可以变化,加热大多会让气体膨胀而不是升压——这就是查理定律描述的等压行为。直接的正比关系只适用于体积固定的情形,例如密封的钢瓶。
任何把气体密封在固定体积里的场合都适用:气雾罐与气瓶、在高速上跑热了的汽车轮胎、加压工艺容器,压力都会随温度升降。它也正是容器上压力与温度警示限值的由来。