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简单的气体加热实验

(2009-10-22 09:52:50)
标签:

分子运动

气体

加热

电磁动力

杂谈

    我们在生活中都知道有这样一个常识,物体燃烧时热量向上方散发,而燃烧点的下方接收到的热量很少。所以平时烧菜的时候炊具总是放在火焰的正上方。

    这说明,当空气被加热时,热空气总是向上升。当然气体分子向上升的原因并不是被热源向上“踢了一脚”,而是因为热空气的密度更小,在浮力的作用下向上升。当然,在上升的过程中,随着气体分子能量的散失,气体分子间的距离变小,温度降低的同时密度增大,所以还会沉降下来,这种上升和下降的过程形成了对流。

    正是这样的一个过程使地球上产生了生机,这一过程来自于太阳光的驱动。如果没有太阳,随着地球能量的散失,地球将成为一个凝固冰冻的世界。

    对于气体受热密度减小而上升,分子运动论解释的并不让人信服,因为如果认为气体分子是杂乱无章的运动的,那么在加热的过程中,气体分子在接受到热量之后仍然将保持杂乱无章的运动,这样的话,热源附近的温度就应当是均匀分布的,距离热源一特定半径的球面上的温度应该相同,但显然在地球上不会是这样。至于用分子运动论解释热气体为什么密度低的问题就更说不过去了,气体分子运动的更快就会导致分子间距离的增大吗?也许应该是相反,因为如果气体分子运动的更快,分子之间就可以运动到更近的距离,因为惯性会克服分子间一定的斥力,这反而会导致气体密度的略微增加。

    分子运动论并不是一种解决气体问题的好方式,所以应该是抛弃这种理论的时候了,当然一些实验公式可以继续使用,虽然有时候显得不太精确,因为毕竟还没有新的理论来替代它。

对于地球空气中热源热量的分布,本人做了下面这样一个简单的实验。

实验器材:四根煤油温度计、一个电烙铁、一个装电话机的空纸盒。当然还有空气。

实验步骤:在纸盒两面对应的穿31个洞,相邻小孔之间的距离为2cm,将电烙铁置于中央,电烙铁的尖端以纸盒面有一定的距离,将温度计依次穿入其余小孔中,温度计的测量端与电烙铁顶端位于同一平面。在温度计恢复到室温以及电烙铁冷却之后,电烙铁接通电源,每五分钟和十分钟记录下不同温度计的温度。直到所有的位置测量完。

实验结果:

 

空气加热实验数据表

采样点序号

采用的温度计编号

温度计起始温度(℃)

加热5min后温度(℃)

温度增加(℃)

加热10min后温度(℃)

温度增加(℃)

1

1

17.3

49.5

32.2

100(约)

约80

2

2

18.1

26.5

8.4

33.4

15.3

3

3

20

22.8

2.8

25.4

5.4

4

4

16.3

21.1

4.8

26.3

10

5

1

14

16.3

2.3

18.5

4.5

6

2

19

21

2

23.1

4.1

7

3

21

23.7

2.7

26.9

5.9

8

4

18.5

36.5

18

50

31.5

9

2

19

34.5

15.5

42

23

10

1

14

18.8

4.8

21.3

7.3

11

3

20.3

23

2.7

25.1

4.8

12

4

17

26.1

9.1

34.5

17.5

13

2

18.6

29.5

10.9

34

15.4

14

1

13.7

15

1.3

16

2.3

15

3

20.6

24.5

3.9

29.3

8.7

16

4

16.9

20.5

3.6

25.2

8.3

17

1

13.2

15

1.8

17.3

4.1

18

2

18.7

20.6

1.9

22.8

4.1

19

3

20.1

23.3

3.2

26.9

6.8

20

4

16.7

20.3

3.6

24.6

7.9

21

2

19

20.8

1.8

23.6

4.6

22

1

13.3

14.7

1.4

16.3

3

23

3

20.1

21.3

1.2

23

2.9

24

4

16.7

18

1.3

20

3.3

25

1

13.4

14.9

1.5

16.9

3.5

26

2

18.3

19.8

1.5

21

2.7

27

3

20

20.6

0.6

21.7

1.7

28

4

16.5

17.2

0.7

18.5

2

29

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

 

 

 

    在测量第一点时,由于温度计过热受损,所有没有测得精确值。同时,煤油温度计本身就不是特别精确,所以这个实验只是一个定性实验。

    将不同位置加热5分钟和10分钟后温度的增加值在下面这张图上表示出来,黑色数字为小孔编号,红色数字为温度升高的度数,左边为加热5min后升高值,右边为加热10min后升高值。

简单的气体加热实验

    中间圆处为热源,由上图可以看出:在相同的高度上,热源的正上方最热。在热源附近,热源下方温度的升高远小于热源上方。至于2、9、13点温度升高的幅度比4、7、11要高出许多,是因为实验者位于热源的右侧,呼吸引起热空气向左移动所致。正常情况下,左右相同位置温度升高的幅度应该大体一致。

对实验结果的分析:

    主要依据“电子的电磁动力学”理论,而不是“分子运动论”。电子的电磁动力学(或称为“电子振动论”)认为:温度反映的是单个分子或原子的平均电磁辐射能能量的多少,加热会使单个分子或原子吸收更多的电磁波,吸收电磁波的方式是电子的振动,加热会使单个分子或原子中电子的振幅增加,同时也会使更多的电子振动,电子在原子中的振动反过来也会释放电磁波。在加热过程中,电子的振动范围以及振动的电子数量都会增加,这会导致原子或分子之间斥力的增加,使单个原子或分子具有更大的势力范围,宏观上就会表现出密度的降低。

    对于空气这种特定气体来说,主要由氮分子和氧分子组成,热量(电磁波)在空气中传播时,有一部分被空气中的分子吸收,分子密度降低,向上运动,有一部分能够穿过附近的分子,而被较远处的分子吸收。吸收电磁波和透射电磁波的量能够反映气体的某种性质。应当是气体分子的体积越大,分子中的电子越多,这种气体分子吸收电磁波的能力就越强,而如果气体分子的体积越小,同时分子中的电子越少,这种分子吸收热量的能力就越弱。气体吸收和透射电磁波示意图如下:

 

简单的气体加热实验

    气体分子的性质能够决定气体吸收热量的能力和透射热量的能力。这可以通过测量热源上方气体和热源下方气体的温度变化速度来确定。在气体对流能力相同的情况下,如果一种气体吸收热量能力弱,透射热量能力强,则这种气体热源上方温度升高的就慢,而热源下方气体温度升高的却要快;相反如果一种气体吸热能力强,透射能力弱,那么热源上方温度升高的就更快,而下方温度升高的更慢。当然,通常情况下,如果分子更重,那么它的对流能力也许就更弱,在具有高吸热能力的情况下,由于分子内部的热传递,下方的温度也需要升高的快一些。

H2气体和CO2气体:

    H2气体由于分子量小,分子中的电子少,体积较小,所以它的吸热能力很差,透射能力很强,所以如果以这种气体来做加热实验,上方气体温度升高的速度要慢一些,而由于下方透射的电磁波较多,下方的分子能够得到多一些的热量,所以下方的温度升高的要快一些,也就是上下方温度升高的速度相差不会太大。

    CO2气体分子量大,分子中的电子数量多,分子体积大,但是由于分子较重,也许气体的对流能力较弱,如果它的对流能力与H2气体相同,那么热源上方和下方的温度升高速度与H2气体相比肯定要大的多。气体的对流能力需要作为一个专门的课题来讨论。

CO2气体温室效应的解释:

    我们都知道CO2气体是一种温室效应气体,它之所以会导致地球表面温度升高主要有以下两方面的原因。

    一是它的吸热能力较强,由于分子量较大,分子中的电子数量多,在单位体积内具有更多的电子分布,根据“电子的电磁动力学”原理,有更多的电子吸收电磁波,进而释放电磁波,透射的电磁波能量很少。

    二是CO2气体相对于空气中的O2气体和N2气体来说,气体分子的质量更大,而数量要相对少许多,所以它参与不到空气的对流当中,无法将它吸收的能量带到高空向宇宙空间释放。这种阻碍对流的作用,同样是加速地面地面空气温度升高的原因。

微重力条件下的加热气体温度分布:

    如果我们到空间站上做这个实验,显而易见,在热源周围,温度将随着与热源的距离的增加而逐渐较小,不存在上下之分,如果以地球到空间站的延长线为上方,那么热源上方温度升高的速度要小于地球表面,而热源下方温度升高的速度要快于地球表面,在距离热源一定距离的球面是等温面。在失重的条件下,更能精确的测量出气体的透射能力。

    通过火焰的形状也可以反映这一点,地球上的火焰是纺锤形,而空间站中的火焰是球形,实际上火焰的外形反映的是一个等温面,地球上加热气体时的等温面曲线就是火焰的形状。

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