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赞刘全慧等的《热物理教与学随笔集》及大气重力与压强争鸣,强!

已有 2419 次阅读 2016-1-30 16:11 |个人分类:大气科学|系统分类:观点评述

               ——标题之“强!”是表示赞赏对“大气重力与压强”进行深究、质疑与争鸣

              ——科学问题无禁区,文字游戏莫小瞧;勿以善小而不为,不平则鸣学之道

 ——全慧教授推荐《格物致理--批判性科学思维》(科学出版社,2014)》(包景东著),惺惺相惜?

     阅读近期博客,发现看似一望即知、界限分明的“大气重力与压强”的关系忽然暧昧起来,相关博文都成为精读。浏览之下,发现全因全慧博友合著的《热物理教与学随笔集》而起。科学网中,张学文先生时常琢磨大气科学的一些基础性、概念性问题。现在,物理学者刘全慧等先生从物理的角度探究与质疑基础性问题,是值得赞赏与阅读的。吕喆博友等也以多篇博文参与这场讨论。这种讨论既是研究性的、又是科普性的,可谓雅俗共赏!

    吕喆博针对“这个问题不断置顶,看来编辑是要看你们这些教授的洋相了”的担心,“把自己的理解写出来,和更多的人讨论,通过争论把一些细节搞清楚,是我们发布这些博文的价值所在”的态度是十分可取的,对有类似疑问的人们是有益的。

     本文主要是点赞与推介质疑的精神,讨论具体的专业内容,请去附录介绍的相关博客。

附1:http://blog.sciencenet.cn/blog-100379-952415.html

                                 一个流传甚广的谬论:大气压强是大气重力造成的吗? 

                                                  张江敏     2016-1-25 14:25

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。

以下省略文字若干......

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。

附2:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3377&do=blog&id=378704

                                                        从危险的数学记法到致命的物理错误

                                                                     刘全慧    2010-10-30

一,引言

一些人生机遇到来得非常平静,你能参透其中的玄机?

沈抗存教授是湖南大学物理学科的一位教书先生。他来湖南大学工作时,我还没有出生呢,等到我来湖南大学时,他已经近退休不远了。我和他的交往,主要还在他在退休之后。老先生今年七旬有五,激动起来少年一般,和我讨论物理问题寸土不让。细细一算,二十余年的交往,本人是赚翻了。

附3:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3377&do=blog&id=834570 

                                                      《热力学•统计物理》批判性教学第一章

                                                              刘全慧     2014-10-10 17:53

   一,批判性教学?国外已经有了!

   包景东教授有大作《格物致理----批判性科学思维》(科学出版社,2014)。夏天里,我们就这个话题所聊甚欢。机缘巧合,本学期给物理系的新生开第一堂物理课《专业导论》(共16课时,我承担8次),第一讲选讲的内容就是:《让理性批判成为一种习惯》。

   景东教授具有高度抽象的能力,能够发现一般性规律。而我只能解剖麻雀。

附4:http://blog.sciencenet.cn/blog-111635-952431.html

                                                     大气压强的存在,必然依赖“重力”

                                                                 吕喆   2016-1-25 16:46

   刚刚看到张江敏老师的博文“一个流传甚广的谬论:大气压强是大气重力造成的吗?“http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=100379&do=blog&id=952415

  回忆当年我在受过中学物理教育时接受的“大气压强”概念,其实是个流体力学的概念,而且它的出现也完全符合流体力学的需要和规律。我们当时(中学物理和普物力学)所学的流体力学知识中,其实面对的是被简化的比较理想的“流体”,处在与热现象完全割裂的语境之中,因此并不需要考虑热运动对流体力学的影响和随之而来的各种问题。因此,通常人们在简单地使用“大气压强”这个概念、分析相关现象时,很多时候似乎都可以用流体力学的概念,此时由于气体压强产生的微观机制(气体分子热运动所产生)不是显然的和必须的。换句话说,用某一层面上方的大气层重量作用在这个层面上的压力除以面积就可以来估算大气压强,用用气体密度在不同高度的分布数据即可开始积分运算。至于这些气体如何做无规则热运动、温度多高、气体分子数密度到底是多少,根本无需知道。热学此时似乎是“至则无可用放之山下”的“黔之驴”。

   待到大家换个地方分析“气体压强”的产生问题时就会发现,热运动的效应其实是“庞然大物也”,须“神视之”(也要审视之)。事实上,由于存在热运动,在失重状态下的密闭容器中装有一定温度的气体,也会存在气体压强,这种气体压强是完全由于热运动分子对器壁的冲量产生的,换句话说气体压强是碰出来的而不是靠重力压出来的,可以说与“重量”无关,因为此时已经根本没有所谓的“重量”了。但是,如果在我们因此而做出“大气压强不是大气重量造成的”论断,并“拍案叫绝”、一巴掌把并不坚固的器壁煽出个大洞的时候,容器内的气体分子会“一哄而散”转眼之间飞散出去(假如外面是真空),气体压强就根本无法稳定存在。

   看了上一段最后一句话,大家应该明白重力在大气压强中所扮演的重要角色了吧?如果没有“重力”,就无法实现对大气层中气体分子的有效约束,无法形成并保持大气层的温度存在,因此大气压强必然依赖于大气的“重量”(重力,更准确表述是地球的引力)。

   事实上,地表的气体分子要想真的摆脱地球的束缚奔向浩渺的太空是很不容易的,因为地球的引力的存在,它在达到大气层边缘后的运动速度至少仍要高于第一宇宙速度。(《物理学难题集锦》里面就有这么一道题。)

   另外,关于我们每天从气象台网站上看到的当地大气压强数据为何常常不同这个问题,我会抽空专门写篇文论述。

附5:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=111635&do=blog&id=952518 

                                   在“大气压强”中,“重力”和“温度”分别扮演着什么角色?

                                                                    吕喆  2016-1-26

   继续昨天下午和晚上热烈讨论的那个话题——“大气压强的存在,必然依赖重量”。(http://blog.sciencenet.cn/blog-111635-952431.html )

   今天专门说说在大气压强中“重力”和“温度”所扮演角色的问题。按照我们以前上学时分到了不同的学年和学期学习的有关压强、大气压强的知识,似乎在“流体压强”的产生机理这个问题中,完全可以没有温度什么事儿;而在“气体压强”的产生机理方面,则是没了重力(更准确的表述,在本质上是大质量星体对其表面约束着的物质的万有引力)照样可以存在“气体压强”。当我们面对“大气压强”这个概念时,不得不说,重力和温度,都是不能不被考虑的。

   “大气压强”肯定是“气体压强”,从字面看似乎也就多了“大”字却少了个“体”字。这个“大”字的涵义其实在于此时气体的尺度是大气层的厚度,其在地球的径向绵延达数十至百千米,这是远远大于我们通常所设定的容器内气体模型尺度(米)的。空气的密度确实比气体常见流体(水)小3个数量级,而且是随着海拔高度的增加是下降的,但当我们百千米级高度上的气体重量做一个求和或积分,仍可获得一个惊人的数值——1平方厘米上的重量约合1公斤力。在这样的大尺度上,再忽略“重力”是绝对不行的。问题在于,此时重力的所起作用,是否仍和液体压强问题中的作用一样?

   昨天我在博文中曾经说过,重力(重量)的作用,首先是有效地约束了地球表面的气体,使之长期保持在地球表面,这相当于没有外壳、向外太空敞开怀抱的大气层加了个无形的盖子,避免了大气向外太空真空环境的逃逸,也使得我们所讨论的大气压强问题,变成了一个仍可以利用密闭容器内理想气体压强模型进行讨论的问题。此时的密闭容器的形状近似是一个截顶的球椎,球椎“尖端”在地心,截掉“尖端”形成的曲面(可以近似为球面)在地球表面,球椎的“底面”(球面)则伸向浩渺的太空,本只有一个大致的范围,可以近似为空气极为稀薄的大气层边缘。在这个“容器”内部,沿着其高度方向上气体数密度由于重力的存在而呈现不同的数值,其分布遵从玻尔兹曼分布而越来越稀薄。

   现在,我要回答两个问题:

   (1)为何气体分子终究没能逃逸?

   (2)上层气体的重力效应是如何传递给下层的?

   按照我们的力学知识,质点从地球表面逸出的条件是其切向线速度必须高于第一宇宙速度,对人造卫星如此,气体分子亦然。这就对气体分子热运动的平动速度提出了一个很高的要求,这个问题可以严格按照玻尔兹曼分布律去求解,结果是如果综合考虑大气层边缘区的温度和数密度进行计算,气体分子逸出的概率是非常小的。因此我们可以把这“容器”看作是“密闭”的,也就是说,“大气压强”和“容器内气体压强”的物理本质是相同的,区别仅在于通常所用的“容器内气体压强”模型是假定忽略了重力且温度均匀的,而真正的“大气压强”则必须肯定它们的存在。

   重力对于大气压强的贡献,除了实现了模型“容器”的“封闭”以外,还对大气压强的产生,特别是大气压强的具体数值有着不可忽视的作用。众所周知,容器壁所受气体压强是其单位面积上在单位时间内所受大量气体分子冲量的平均值,这是普物热学中最简单的统计物理计算,最终导出的公式是压强正比于气体分子的平动动能。现在我们考虑重力对于大气压强的实质性贡献,恰好需要从平动动能这个切入点入手。在重力场中,随着高度的提升,平动动能会减小而重力势能增大,随着高度的降低重力势能减小而平动动能会增大,这就很容易理解当我们从大气层中切除一薄层时,为何其上表面的压强会低于其下表面。或者说,在重力场中处于“下落”状态的气体分子的动能是不断增加的,这些来自“上层”分子在与处于“上升”状态的气体分子发生碰撞时,会把动能传递给下面的分子,从而实现了重力效应的传递。

   以下文字略



http://blog.sciencenet.cn/blog-350729-953472.html

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