气体压力是分子力的宏观表现

吴建国,http://www.minglang.org

怎样理解气体压力是气体分子力的宏观表现？

在气体中,分子间的平均距离是比较大的,在典型的例子中,分子间平均距离为10r₀.当两个分子间的距离为10r₀左右时,分子间力（分子间引力和斥力的合力）是微弱的吸引力.那么,怎样理解气体相邻两部分间,总是存在压力作用呢?

在气体中分子之间不断地发生碰撞.在标准状态下,一个空气分子在1秒内与其它空气分子的碰撞竟达65亿次之多.其中有一些碰撞是对心碰撞.所谓对心碰撞是指:甲、乙两个分子,距离超过10r₀,具有的速度在一条直线上,且正在靠近;距离缩小到大约10r₀以后,在分子间吸引力作用下,加速靠近;距离减小到平衡距离r₀以后,在分子间排斥力作用下减速靠近;距离减小到某个值r_min时,速度减到零;然后在排斥力作用下加速离开;距离增大到r₀以后,在分子间吸引力作用下减速离开;距离超过10r₀以后分别具有一定的速度.

在对心碰撞的全过程中,甲分子的动量改变量的方向与末速度相同,根据动量定理,乙分子对甲分子的冲量的方向也与甲分子末速度相同.这意味着,复杂的碰撞全过程,相当于两分子间一直存在着相互排斥的力.这使我们可以进行下面的考虑:在同一时刻相邻两部分气体的分子之间,许多这样的碰撞在发生着,虽然多数分子间力正表现为吸引力,少数分子间力正表现为排斥力,但总的效果是排斥力.当然远不是所有的碰撞都是对心碰撞,但说到这里,已经可以初步理解,气体相邻的两部分何以存在相互的压力.

相邻分子间距离的平均值是10r₀,意味着在同一时刻,距离大于r₀的相邻分子较多,距离小于r₀的相邻分子极少.但这并不意味着相邻两部分气体之间吸引力占优势,排斥力占劣势.因为分子间力表现为吸引力时,分子间力q总是较小;分子间力表现为排斥力时,分子间力Q可能较小,可能较大,还可能十分大(比如Q达到q的最大值的1000倍).