氣體三定律

定律釋義

氣體三定律是歐洲人在科學實驗中發現的，卻遵循東方式說法上升為定律。當時他們用的溫度，是攝氏溫度，把實驗數據畫成圖象，查理定律和呂薩克定律的圖線都是直線段。橫坐標軸的單位都是攝氏溫度，直線段與橫坐標軸的交點，都是負273℃。

這就意味著，有一個最低溫度，就是負273℃。如果以它為零點，實際溫度都比它高。那么，不僅溫度沒有負值，查理定律和呂薩克定律的表達式，都會變得非常簡潔，而且漂亮。

以負273℃為零點的溫度，就叫做絕對溫度，或者熱力學溫度。它的單位叫做K，它的溫度間隔跟攝氏溫度的間隔一樣大。例如攝氏溫度從0升高到100℃，絕對溫度就從273K升到373K。

“一定質量的某種氣體，在溫度不太低、壓強不太大的情況下”，氣體的壓強p、體積V、絕對溫度T，是可以變化的量，叫做氣體參量。氣體的分子數為N，我們引入一個新的物理量，叫做分子密度n，n=N/V，就是單位體積的分子數。顯然n越大，分子越密。因此，體積越大，分子越疏。

溫度是分子平均動能的標誌，平均動能越大，分子的平均速率的平方（vv）越大。所以，溫度T越高，分子的平均速率的平方（vv）越大。

氣體的壓強可以通過測量容器壁受到的氣體壓強來確定，容器壁受到的氣體壓強可以理解為“源於氣體分子的碰撞”。顯然，壓強p決定於雙因素：一個因素是分子密度n，分子越密則碰撞的合力越大。另一個因素是分子的平均速率的平方（vv），它越大則碰撞越劇烈。

所以，n（vv）越大，壓強p越大。（注）

當T不變，（vv）不變。體積V增大導致n減少，則n（vv）變小，所以壓強p變小，這就合理地解釋了玻馬定律成立的本質。

當V不變，n不變。絕對溫度T增大導致（vv）增大，則n（vv）增大，所以壓強p變大，這就合理地解釋了查理定律成立的本質。

當p不變，n（vv）不變。絕對溫度T增大導致（vv）增大，n（vv）不變則n變小，所以體積V變大，這就合理地解釋了呂薩克定律成立的本質。

在這裡，我們把分子想像成大小一樣、速率一樣的小鋼球。這些小鋼球垂直撞到容器壁上，以原速率反彈，從而集體對容器壁施加了衝撞力。

我們先考慮一個小鋼球施加的衝撞力：原速率反彈的動量變化就是Δmv=－2mv。只考慮力的大小，絕對值就是Δmv=2mv。負號表示小鋼球受到容器壁的作用力的方向，與小鋼球的初速度方向相反。

根據動量定理，這個力的衝量ft=Δmv，所以這個力的大小就是f=2mv/t。

流體力學中有一個常用模型，垂直於容器壁作一個圓柱體，它的橫截面積S，長L，在時間t內，圓柱體中的速率為v的小鋼球全部撞到容器壁上，所以L=vt，這就決定了圓柱體的長度。