空气或者气体没有重量

志勰

本文是气体在引力场中受作用以及给与物体作用的分析,提出了气体没有重量的概念。本文从定性的意义上说明了气体称量过程的状态及定量模式。


引言:

       大多数朋友都会认为气态物质在空间中存在是存在重量的,并且是可以称量的,可以采用普通的称量方法来称量气体分子的重量(比如采用天平来称量确定体积的气体分子的重量)。这种观念是错误的,这种称量方法也是错误的。在常规的称量气体分子的方法中,我们所得到的气体分子的重量并不是气体分子本身的重量。这一点导致气体分子重量的定义或者采用称量气体分子的重量的客观实践应用中,我们所得到的观念和结论是错误的。

一、常规的观念

    称量物体重量的方法来自于物体在引力场中所受到的万有引力的作用,并且具有确定的规律,即物体在引力场恒定的情况下,它所受到的引力同物体的质量成正比。这样一个规律最初作为约定俗成的经验约定,并且同人们生活中鉴定物体量的多少而一同诞生。现在最简易的称量方法,除了采用弹簧秤来称量物体的重量之外,较为精密点的测量还可以采用天平称量物体质量的方法来获得物体的重量。两种方法是等效的。

    气体和固体都存在质量,并且都会被万有引力所吸引,从而被认为在引力场中可以表现为重量。然而,由于气体和固体的分子存在属性的不同,存在一定的区别。我们采用这种常规的方法,即:采用质量正比的方法所称量到的固体的质量,毫无疑问是通过固体的重量来实现的,即物体的质量在引力场中所受到的引力来实现的。

  对于气体,常规的称量方法则是采用普通秤量固体的方法先称量出确定容器和容器中气体分子的和重量,然后再减去容器的重量。从而得到气体分子的重量。

  但是,采用这种常规的方法所称量到的气体的重量则不是气体分子的真实重量。当然,这种方法所称量的气体分子的质量也同样不会是气体分子的真实质量了。在技术上,我们通常不直接称量气体的方法,比如让其体悟之和固体物质发生化合反应,称量固体重量,然后确定气体分子质量的方法。

    我们下面先来看一下固体和气体在称量属性上反映出的差别。

二、气体和固体表现为重量的区别

    气体和物体在存在模式上是不同的,这种不同在于存在状态的不同。

    固体是以固态存在的,气体则是以气态存在的,具有压缩性。它们之间最为本质的区别在于:

    构成固体的物质个体之间存在着强烈的相互作用,固体的分子以聚合的状态作为一个物体的整体而存在,任意相邻的两个分子之间存在着强烈的相互作用。万有引力施加给每一个固体分子的引力会通过固体分子间的相互作用而表现在物体整体受到引力作用的矢量上。这样定量的物体的所受到的作用力同物体的质量成正比是毫无怀疑的。

    但是,组成气体的每一个个体都在无时不刻的在空间中运动,并且分子和分子之间可以作为单独的个体在空间中独立的存在,在不是碰撞的状态下,分子间的作用可以忽略不计。现在我们知道,气体分子都在无规则的运动,并进行着无规则的碰撞。无规则碰撞过程中所反映出来的矢量作用,仅表现在于气体分子在沿引力作用方向的碰撞上的动量变化量上,这个量就是气体分子的质量么?这很值得怀疑,以至于才有本文的结论。

三、称量容器中气体分子作用的意义和常规对这个领域的错误判断

kqhtmyzhl01.gif (3688 字节)   如图:在一个具有确定体积并且密闭的容器中,所有的气体分子都在无规则的运动。气体分子都在无时不课的容器发生着碰撞。

  由于万有引力的作用,任一个气体分子都会受到万有引力的作用,分子所受到引力的大小同分子的质量成正比。在不考虑气体分子和容器壁的碰撞情况下,(将气体分子和容器壁之间的作用忽略掉),那么我们所称量的重量实际上是容器的重量。万有引力不会将它对分子的作用施加到称量对象上。因为万有引力只单独将引力施加到个体上。当然,我们忽略掉气体分子和容器壁间的作用是不现实的,因为分子无时不刻的在和容器壁进行作用力的交换。

    如上我们将气体分子和容器壁分离开来仅仅是为了说明称量过程中对称量对象提供重力的贡献。如果我们要考虑我们所称量对象的重力情况,这实际上需要我们所考虑的整个的称量对象在引力场中所受到的矢量作用力。刚才我们已经考虑到分离气体分子和容器作用的情况,在这种情况下,气体分子不会提供贡献。这样,我们就得到一个结论,通过称量容器的方法来获得容器中气体分子重量的,其实质是气体分子给于容器的作用力的积分。这个作用力等于由于引力的作用,气体分子给于容器瞬时冲量的差异值。

    那么,这样我们可以得到一个结论。我们采用称量确定体积种气体分子重量的方法,我们所称量的是万有引力所造成的气体分子和容器壁瞬时冲量的差异值,而不是气体分子的重量。如果这个差异值等量于气体分子的质量所表现出的重量,那么我们可以判断采用称量确定体积中气体分子的方法所称量到的量是气体分子的重量,否则,我们所称量到的则不是气体分子的重量,气体分子质量和气体分子存在状态的关系,理所当然的也是错误的,现在科学中所采用的气体分子重量(质量)的数值和分子状态的关系、以及自然界物质的含量等等等等相关的科学结论存在着错误。

   除了称量气体分子重量的本身上,在对气体分子状态的处理上,比如容器中气体压强、气体分子的运动速度等,一些观念也存在问题。我们通常都是采用将气体分子在容器中各向同性化处理。当作均匀的分子分布空间。气体分子给于容器壁的作用各向同性。这无疑是一个错误的处理方法,当然,可以看作一种近似处理。即忽略掉气体分子重力的作用。因为这样处理的结果是,气体分子没有重力,换句话说,气体分子不对重力提供贡献。那么容器中气体分子在状态上的分布是什么样的呢?下面我们来看这个问题。

四、容器内气体分子的状态和称量容器中气体所受引力作用的关系

1、由于引力的作用而引起的空气分子给与物体作用的差异

  我们知道,处于水中的物体都存在一个浮力,这个浮力是由于处于水中的物体上方和下方的水给于这个物体的压力差造成的,空气也具有流动性,那么处于空气中的物体是不是也会受到大气给于它的浮力呢?

  很显然,空气和水的属性是完全不同的,这是由空气的可压缩性所决定,我们知道水不具有可压缩性。另一方面,水的不可压缩性并且由于自身的密度和物体材料的密度都处于一个相同的数量级,浮力是很明显的。空气由于是可压缩的,空气给于物体的作用完全决定于物体上方和下方气体分子给于物体的碰撞作用的矢量。因此不能采用同样的方法来决定物体外面的空气给与物体浮力的数值。

  但我们可以采用同类的方法来给于空气分子给于物体的作用定位。即采用物体上方空气分子给于物体瞬时冲量的作用和物体下方空气分子给于物体瞬时冲量的差值。这个差值依赖于物体上方和下方空气分子的存在状态。

  万有引力会对空气分子存在一个竖直向下的引力作用,空气分子会由于这个引力作用产生一个加速度,其数值等于9.8米每秒。因为气体分子在不停的运动、碰撞。因此,气体分子在平均自由程里在竖直向下的方向会存在这个9.8米每秒的加速状态,通过气体分子间的碰撞,将万有引力的这个引力作用均分到气体分子所处于的空间平面上。空气的温度在距地面不同的高度存在着差异,在高度差异不大的情况下不明显。这样的一个事实说明在较大的空间距离里气体分子存在状态的差异是显著的。在科学实验和理论计算上,我们通常将高差不大的气体分子的存在状态当作各向同性处理。忽略掉引力所引起的分子状态差异。

关于不同高差的分子状态差异的近似计算方法

  在不同空间高度上,分子的存在状态存在着不同。这种不同主要是由于万有引力对分子的引力作用所引起。我这里仅提出近似的计算处理方法。

  (1)不同高度分子运动速度差异值的近似方法

    不同高度处气体分子速值的差异值同两个不同高度处的距离成正比。

    这一点主要依据是气体分子会受到引力的作用,由于分子的自由程很小,那么加速过程在分子自由程的运动过程中,其加速过程所引力的速值的增加在空间距离上是均匀的。

  (2)不同高度分子密度差异值的近似方法

    不同高度处气体分子密度的差异值同两个不同高度处的距离成正比

    这一点主要依据是气体分子会受到引力的作用,由于分子的自由程很小,那么加速过程在分子自由程的运动过程中,受到加速运动的分子会给与它的碰撞界面的分子一个整体的矢量作用力,并且这个矢量作用力在距离的递加上是均匀的。

  (3)不同高度空气温度差异值的近似方法

    不同高度处气体分子密度的差异值同两个不同高度处的关系可以分两种情况来处理。这是由于传统对温度概念的观念所引起。

    一种是在气体温度同分子运动速度的平方成正比,那么根据(1)可以得到,不同高度处气体分子的温度平方差异值同距离成正比。这是传统的观念。即温度同分子的动能(质量和速度平方的二分之一)成正比。本人不推荐这种关系,因为这种关系存在一个问题,这个问题我们将在下一部分(下一个问题的第二个部分传统称量方法的缺陷)讨论。

    另一种则是气体温度同分子运动速度成正比。那么根据(1)可以得到,不同高度处气体分子温度的差异值同两个不同高度处的距离成正比。这是我提出的看法。即温度同分子的动量(质量与速度的乘积)成正比。可参见机械运动的能量体系

2、容器内部的气体分子给与容器的矢量作用力,即:气体分子的重力。

(1)传统的称量方法

   最为典型的证明空气具有重量的方法是通过对容器中气体分子的称量来实现的,但是称量方法却是不对的。我在中学时接触到的称量方法是这样的,如左图:

kqhtmyzhl02.gif (3436 字节)     左边这个图所画的是一个天平,在天平的左盘中是砝码,在右图中是容器。

    调节砝码的量值,使天平两端处于平衡状态。然后,在右盘中的容器中倒入二氧化碳,由于二氧化碳的分子量要大于空气的平均分子量,那么天平的两端会略微倾斜。

    这个事例说明二氧化碳气体比空气在同体积内的数量下,其重量要大于空气分子的重量。

    这个前提是建立在阿佛加德罗常数的前提下,即每摩尔气体的体积为22.4升,并且包含6.02乘以10的23次方个气体分子。

    另一方面,这个实验间接证明气体是存在质量的。现在来看,但并不能证明我们采用天平所称量到的“质量”数值就等于气体分子的质量。

(2)传统称量方法的缺陷

如右图:

    前面我们已经探讨了,容器中气体分子给与容器壁作用的情况。其结论是容器中气体分子给与容器的作用的关系是:

    通过称量容器的方法来获得容器中气体分子重量的,其实质是气体分子给于容器的作用力的积分。这个作用力等于由于引力的作用,气体分子给于容器瞬时冲量的差异值。

kqhtmyzhl01.gif (3688 字节)

   在前面,我们已经讨论了关于不同高差的分子状态差异的近似计算方法,那么根据这个简单的关系,我们可以得到如下的结论:

  在谈到这个结论之前,我们先要讨论一个问题,这个问题就是气体分子在和容器壁的碰撞过程中所给与容器向下作用力的关系。这个关系直接导致了我们对气体重量称量的结果。是我们必须要讨论的。

  我们根据分子的动量和气体温度的关系。存在两种关系,一种是传统的关系——温度同分子的温度同分子的动能(动能气体分子质量和速度的平方乘积的二分之一)成正比;另一种是我在机械运动的能量体系中提出的——温度同气体分子的平均动量成正比(可参见机械运动的能量体系中的温度与物质分子动量的关系)。前者不推荐,因为和常规的关系不符。可参见机械运动能量体系中的压强公式。主要是如下:

  如果气体的温度同气体分子的运动速度的关系遵守传统的温度同分子的动能(动能气体分子质量和速度的平方乘积的二分之一)成正比,那么,密闭容器中的气体给与器壁的压强同气体分子的动量成正比,即:同分子的运动速度成正比。理想气体状态方程中的关系——密闭容器中,气体的压强同温度成正比不符。

    在相同的一个容器中,相同气体状态下的气体分子的状态在容器中的分布是相同的。这个相同气体状态包括气体的温度、气体的压强、气体的分子总量。我们知道不同气体分子的分子质量是不同的,比如空气和二氧化碳、氢气和氧气等等,其分子质量是不同的。但是,气体分子的动量是相同的。

  (相同温度下相同体积相同状态的气体分子动量相同的证明方法:如果气体分子的动量各不相同,那么当这些气体分子在碰撞的时候,动量大的气体分子会通过碰撞将动量传递到动量小的气体分子身上,这一点是通过弹性碰撞实现的。只有当相互碰撞的气体分子的动量相等的时候,两个分子的动量才不会发生传递。如上的说明方法严格一些,应该再加上宏观统计上)

  如果我们将密闭容器中的气体分子在容器中的分布当作各向同性看待,很显然,容器中的气体分子将没有重量。这是因为气体分子对容器壁的碰撞(或者说作用)是各向同性的。那么密闭容器中的气体分子将不会对密闭容器形成矢量的作用。这就不会存在重力的作用。如果这样处理的话,容器外面的气体分子当然也可以当作各向同性看待,这显然是和客观事实不符的。比如将一个气球充入氢气,那么这个气球会飞向高空。这就需要我们必须承认不能将地球引力场空间中不同高度距离处的的气体分子的状态分布当作各向同性看待。

  同时,不能将由于引力的作用,气体给于确定物体的竖直向下的作用力,当作重力。因为这是由于引力的作用,气体分子给于容器壁的弹性碰撞的作用而决定。

  因此常规的天平称量密闭容器的方法不能称量气体分子的重量。气体在大气中不具有重量。

(3)引力所形成的气体分子对密闭容器碰撞,形成矢量作用力的几个关系。

  第一、碰撞时间

   在相同条件的气体状态下,密闭容器中的气体分子给与容器壁的瞬时冲量作用满足同气体分子的动量成正比(可参见机械运动能量体系中的关于压强公式),那么气体分子和容器壁的碰撞时间必须是相同的。这需要假设所有的分子在碰撞过程中所表现出的属性(或者刚性作用)必须是相同的,与分子的质量、分子的电荷分布、分子的运动速度无关的。这是因为分子的属性是由分子中电荷的分布状态所决定,不同的电荷分布会决定不同的分子属性。我们知道,分子属性这是不可能的。不同的气体分子和容器壁的碰撞,其碰撞时间必然是不相同的。

  在机械运动的能量体系中,曾经讨论了气体分子的碰撞时间,当时的处理方法是将碰撞时间掠而不计,即当作一个很小的常数。这样的处理方法是一种近似处理方法。但应用到解释气体分子的由于引力而引起的重量效应,则不能采用这样的处理方法了。尽管碰撞时间极短。

  相同气体分子的电荷分布状态可以看作是相同的,由于分子的属性是相同的。因此,在弹性碰撞中,我认为可以将相同的气体分子和容器壁的碰撞时间看作是相同的,并且与分子的运动速度无关。这一点不适用于气体分子的非弹性碰撞,比如离子状态。

第二、瞬时状态的分子碰撞的叠加

  首先,“瞬时状态的分子碰撞”是需要说明一下的。在一个气体分子和容器壁碰撞时,其它气体分子也同时和容器壁在进行碰撞过程的这种状态。在机械运动的能量体系中也讨论了不考虑引力情况下的这种碰撞过程和温度的关系,这里引用原文吧,详细的参见原文。

  “随着密闭容器中气体温度的升高,运动速度会随之增加。碰撞时间为一常数会使同时作用在容器壁 上的分子数量增加,气体三个状态间的关系不再遵守理想气体状态方程。此依赖于气体分子在其自由程上运动的时间和碰撞时间,前者越小,此效果越明显。因此,容器中单位体积内气体分子数量越多,理想气体状态方程越不成立。”

   那么我们考虑引力的情况会怎么样呢?

   前面我们已经讨论了引力所形成的气体分子分布状态。分别是:

   不同高度处气体分子速值的差异值同两个不同高度处的距离成正比;不同高度处气体分子密度的差异值同两个不同高度处的距离成正比;不同高度处气体分子温度的差异值同两个不同高度处的距离成正比。

   在如上的三个关系中,决定了空间中的气体分子状态在不同的空间位置处的关系,引力对空气分子个体引力的作用,导致了气体分子在密闭容器中的状态分布的不同。使容器中底部的分子密度、分子运动速度、动量略大于容器中上部的分子密度、分子运动速度、动量。瞬时状态的分子碰撞的叠加所形成的矢量作用力在容器中的底部要大于容器中的上部。这个力就是通常我们所说的气体的重力。

第三、不同质量的气体分子所表现出的“重量”,引力对不同质量分子的加速结果。

    在本文第二个图中,所说明的是称量空气和二氧化碳的结果。这个称量的结果说明二氧化碳气体的在引力场中所反映出来的“重量”,要大于空气的“重量”。根据相同温度下,运动的气体分子的动量是相同的,与分子的质量无关。我们完全可以得到空气和二氧化碳有相同的称量结果。但事实说明,不是这样的。其原因就在于万有引力对气体分子的加速过程的区别上。

    在温度相同的状态下,相同体积的空气和相同体积的二氧化碳含有的分子数是相同的(这一点并不是严格的,这是根据摩尔体积的结果),分子的自由程是相同的。但是,分子的运动速度同质量成反比。那么万有引力给与分子的加速度所引起的速度的增加是哪一个更大一些呢?当然是分子运动速度较慢的二氧化碳了。引力在相同的空间距离里会给与二氧化碳分子更多的作用时间。这样,二氧化碳分子和容器底部一次碰撞提供的动量要大于空气分子一次碰撞提供的动量。

第四、不能确定的因素

    空气分子的平均质量要小于二氧化碳,同时,在相同状态下的空气分子的运动速度要大于二氧化碳。那么瞬时状态的分子碰撞的叠加数量要大于二氧化碳分子的叠加状态。这个量和引力给与二氧化碳分子一次碰撞动量增加的效果是相削的。

五、容器外气体给与容器的作用

    关于气体的存在状态和空间高度的关系以及气体分子和容器碰撞过程中的关系在上一部分已经讨论过了,这部分内容似乎已经没有讨论的必要了。因为即便要讨论,也是属于气体浮力的内容,和气体的重量没有关系了。但在这里我仍然想提一点所谓的空气浮力的内容。

    物体在引力场中所受到的向上的浮力完全来自于物体上方和物体下方空气分子给与物体的作用差异。而采用传统的定义方法是不合适的。记得在中学时曾学过阿基米德定律,也就是在液体中物体受到的浮力等于物体排开的液体的重量。这样一个关系应用于空气无疑是错误的。因为空气具有可压缩性,另一方面,空气分子和物体的作用是通过弹性碰撞来实现的。这是不适用的。中国古代的孔明灯就说明了问题。

    在一个上端封口的较轻的物件里,比如糊个一端封闭纸筒,封闭端冲上。然后再另一端点燃较轻的火焰。只要在这个封闭的系统里满足气体分子给与孔明灯向上的作用力大于孔明灯的重量, 这个孔明灯就可以飞到空中。即便孔明等排开空气的重量小于孔明灯的重量也不例外。

    只要让阿基米德定律稍作改动,就可以使“浮力”的概念适用于所有的流动体。即:流动体给与物体向上的作用力减去流动体给与物体向下的作用力就等于物体在流动体中所受到的“浮力”。

六、关于气体“重量”观念的看法

    对于气体的称量,在科学上大多采用化合物化合和分解的方法来获得气体的质量,从而计算出气体的“重量”。因此,气体“重量”不是采用天平称量的结果。

    此外,还可以采用对物质进行气化或者对气体进行冷凝的方法,通过称量液体或者固体的质量来得到气体的质量或者重量。直接采用天平称量气体的方法来获得气体的重量或者质量的方法是错误的。所称量到的不是气体真实的质量。

    需要特别注意的是,不能采用和固体相类似的重量来描述气体在引力场中所受到的引力。我建议,取消掉气体重量的概念。

 

2002年5月12日

 

  后语:本来这篇文章不会在这里和大家见面,本想在五月份完成关于原子核的看法。由于意外的事故,硬盘在4月份报废。以前写的关于原子核的东西不能在这么短的时间里完成(关于以前的写作纪录全部没有了,以前计划的东西需要大量的时间进行整理)。正好借这个机会重新浏览了机械运动的能量体系,感觉似乎有点缺陷,于是近期就补写了这篇文章。

     2002年5月14日

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