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一个流传甚广的谬论:大气压强是大气重力造成的吗? 精选

已有 16188 次阅读 2016-1-25 14:25 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

2015年12月初,博主在从北京回福州的途中,顺道去长沙拜访了科学网上的好友---湖南大学刘全慧教授。

临走前,刘老师送我两本他的书,其中一本是“热物理教与学随笔集”,里面收录的大部分是他和沈抗存教授在教授热力学统计物理中一些所想所得。

几天前,在翻这本书的时候,博主被里面这么一句话雷到了:

大气压强不是大气重量造成的

开玩笑!大气压强是大气重量造成的,这是我们学初中物理时候就知道的结论,你这是在挑战我持有了20年的知识!诚然,气体压强的存在并不依赖重力的存在(太空站里气体处在失重状态,但是一样可以提供1个大气压的压强给宇航员),可是从简单的力学平衡上看,地面的气压显然等于单位面积上空的大气的重量啊。

当时我激动地站起来,挥舞着书大声地向办公室的同事宣布:刘全慧说大气压强不来自大气重力!于是立马围上来几个老师要批判之。

可是沉下心来看刘老师的论证后,才发现,他是对的!之前的教科书和科普书全错了!

其实不难发现他的结论肯定是对的。如果大气压强来自大气重力,那么压强将与大气的温度无关。但是,按照理想气体的热力学,我们知道气体的压强正比于其温度和密度。因此,如果压强与温度无关,那么密度一定得反比于温度;可是,按照boltzmann分布律,地面大气密度应该是温度的一个远比(1/x)复杂的函数。

那么通常的力学平衡的思路错在哪里?问题出在地球是个球面,不是平面。所以,在做力学平衡分析的时候,得认真地考虑各个力在垂直方向的分量。

刘老师的书我扫描了:



注1:他们在书里的分析忽略了重力加速度随高度的变化,也假设地球大气处在热平衡。这二者都是近似,尤其后者可能大大偏离实际情况。不过,道理都还是对的。他们忽略重力加速度随高度变化这点也非常非常关键。不然的话,见之前的博文 http://blog.sciencenet.cn/blog-100379-786809.html ,大气层根本不应该存在!

注2:据刘老师说,大气压强是否来自大气重量,这个问题最早是沈抗存教授提出来的,曾经在全国热力学统计物理教学会议上引起激烈争论。刘老师的分析受到了孙昌璞研究员的工作的启发。

注3:如尤明庆老师所言,有必要讨论下二者的差异。其实这个差异确实很小。见公式3.4.2.其中的参数KT/mgR是个小量,所以其实差异应该在百分之一的量级上。按照这个公式,随着全球变暖,大气压会下降。

注4:经曹则贤研究员点评,特补充一点:大气中各种气体的比例是随高度变化的。特别的,氢因为质量小,所以密度随高度下降慢。下面的图来自费曼物理讲义。



http://wap.sciencenet.cn/blog-100379-952415.html

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