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我们为什么没有被二氧化碳和氩气“淹没” 精选

已有 3162 次阅读 2017-3-19 08:53 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:空气 大气压强 宏观体系 分子 氯气

我们为什么没有被二氧化碳和氩气“淹没”

——老华与老温的聊天

老温:嗨!老华!

老华:又在看杂志?

老温:是啊,你看,氢气球飘过一个省,最后爆炸烧伤了人。

老华:走吧,我们边走边说。

老温:好,边走边说。你是学科学的,氢气是不是因为轻才叫氢气的?

老华:是的,最早翻译的时候就是这样的意思,因为氢气最轻,所以造了一个氢字。同样,氧气就是因为我们呼吸的需要,呼吸了氧气才能够“营养”,又造了一个氧字。

老温:对,营养最早的意思就是养活生命。那么,氢气为什么轻呢?

老华:一般情况下,气体分子之间的距离,远远比分子的体积大许许多多倍,这样,我们可以把气体中的分子看成一个个小的质点。在这种情况下,决定气体的体积、压强等性质的,就是其中分子数量的多少。在不很低的温度及不很大的压强的情况下,所有具有相同数目分子的气体都具有相同的体积。

老温:你是不是说,就在我们现在室内这样的的温度和压力的条件下,比如一万亿的氢分子和一万亿个氧分子有相同的体积?

老华:差不多正是如此。(我们有时候常常把压强说成压力,比如说压力是多少个大气压,严格地说,这不科学,应当说压强是多少个大气压,但是大家说惯了,对方理解,也就这样了。)

老温:如果分子数目一样,体积就一样,那么,单个分子比较重的气体,它的比重也比较大。

老华:说得不错,如果咬文嚼字一下,就是单个分子质量大的,气体的密度也大。因此,看看气体分子的分子量,就可以知道气体的相对密度。一个氢分子有两个氢原子,氢原子的原子量是1,氢分子的分子量就是2。同样,氧分子的分子量就是32,氮分子的分子量是28,空气中差不多是近4/5的氮气,1/5多一点的氧气,还有一些惰性气体(例如氩气占近1%,原子量40)、二氧化碳(占0.03%,分子量44)等等,平均起来,空气的“分子量”就是差不多29。如果我们把氢气的相对比重定为2,那么氮气、氧气、氩气和二氧化碳的相对比重就分别是28、32、40和44,作为它们的平均,空气的相对比重就是29。

老温:哦,原来如此。这样,氢气的比重比空气小这么多,怪不到氢气球能够飞上天了。听你这么一说,我倒想起了另一个问题。既然氮分子的分子量比氧分子小,那么氮气的比重会小于氧气。为什么氮气不跑到氧气的上面,从而使得大气中上层都是氮气,底下都是氧气呢?

老华:你确实提出一个很有趣味的问题。氮气的比重确实比氧气小,如果我们做一个又薄又大的气球,里面充满了氮气。由于氮气比重是28,空气是29,只要这个气球足够大又足够薄,它还是能够飞上天的。至于氮气会不会都跑到氧气的上方,你先回答我一个问题,比较轻的气球,例如充氢气、氦气(相对比重4)的气球,为什么能够飞上天?

老温:那是由于空气的浮力啊。根据阿基米德浮力定律,物体在空气中所受浮力,等于它排开空气的重量。这样,比空气比重小的物体,就能够向上浮起。

老华:为什么会有阿基米德浮力定律?

老温:这个我有点说不好。

老华:一个物体在气体或液体中所受到的浮力,是因为这个物体上下的压强不同,大气中有大气压强,离开地面越高,大气压强就越小。物体下面的压强大于上面的压强,因上下压强差而产生向上的压力,这就是浮力。是不是这样?

老温:你一说我倒想起来了,中学的书上说这样说的。

老华:对于气球这样的宏观物体,作这样的分析是完全正确的。但是,我们可以进一步再问,空气为什么会产生压强呢?

从分子的角度看,空气中的一个个分子都受到地球的引力作用,但是,各个气体分子又有很大的动能,它们向四面八方杂乱无章地运动,会相互碰撞,也会对某一个面作碰撞,压强是把许许多多分子对某一单位面积的碰撞作统计平均的结果。由于是许许多多分子对某一单位面积碰撞的统计平均,压强这个概念的适用对象一定是宏观物体,换句话说,压强是一个用以观察和测量宏观物体的物理量

在空气中,氮气、氧气等组分都是分散的,分散成一个个独立的分子在空中运动。对于某一个分子的运动,研究的对象是分子。对于一个分子这样的微观物体,一次碰撞就会完全改变了它的运动状态,因而,没有了作许许多多次碰撞的统计平均的基础,在这种情况下,压强、浮力都是没有意义的。空气中的一个个分子,它们都具有各自足够大的动能,在空中都可以朝各个方向运动(没有那么大的动能就凝结了,不成气体了)。在空中它们可以相互碰撞,交换能量。所以,在一个距离地面相当大的空间范围内,地面上空的空气组成基本上是均匀的。并不因为氮气分子略轻而分布在上层,也不因为氩气和二氧化碳分子比氧气更重而积聚在地面附近,使得地面及地下的动物包括我们人类都“淹没”在氩气或二氧化碳之中,因无法呼吸到氧气而死亡。

老温:哦,你说的有道理,也就是说,对于每一个分子而言,压强没有意义,浮力也没有意义。所以,应用浮力来说明气体会分层是错误地应用了理论

老华:对,正是如此。

老温:对于空气的没有分层,我有一个比方,好比一小块糖放在水里,没有溶解的时候,这块糖是受浮力影响的。由于它的比重比水大,所以沉在水底。可是当糖溶化成分子均匀地分布在水中,那么它在水中就不会都自动沉到水底下,搅匀后的一杯糖水放置一段时间并不会上半杯变得不甜了。你看对不对?

老华:对,这个比方是恰当的。这不仅仅是个比方,实际上水溶液中,溶解在水里的各种分子、离子的均匀分布,也正是这个道理。

当然,如果物质不溶于水,那就是另一种情况了。例如油放在水中,虽然你可以把它搅拌得看上去很均匀,但是,对于分子来说,那一小滴油仍然是太大太大了,它仍然是“宏观物体”,仍然有压强差的作用,从而在浮力的作用下,油滴被浮上水面。这个道理,好像空气中的小的氢气球向上漂浮一样。

而像酒精、蔗糖,在水中溶解了,分散成一个个分子,像食盐,在水中分散成为氯离子和钠离子,它们就在水中均匀分布了。

空气中氧气、氮气、氩气、二氧化碳等气体的混合,就相当于液体中酒精和水的混合。

老温:这样我就明白了。但是,我还有一个问题,那天,小孙子让我看他们的题目,说收集二氧化碳气体,用“排空气集气法”,把产生二氧化碳的玻璃管插到玻璃瓶的底部,管里流出来的二氧化碳就能够沉积在玻璃瓶的底部,而把空气从玻璃瓶口“赶出去”。这不是二氧化碳比重大的原因吗?

老华:这是另一个问题了。在这个问题中,二氧化碳在没有与空气相混合之前,在宏观上就是与空气不同的,就好象灌在气球中的氢气与气球外面的空气不同一样。两个问题的相同之处是它们都存在一个宏观的边界,边界两边有不同的气体,从而可以适用阿基米德的浮力定律。但是它们也有差别,其差别在于气球中的气体与空气是由确定边界的,这个边界就是气球。从管子里流出的二氧化碳与空气也是有边界的,不过这个边界不确定,随时随地在变化罢了。这个不确定边界内的气体也受到由于压强差引起的浮力的影响,由于比重较大,也就是其重力大于浮力,所以二氧化碳下沉。

如果体系是开放的,放置时间长了,没有进一步补充二氧化碳,二氧化碳分子会逐渐扩散到周围的空气中,整个气体又会变得均匀。

这个过程就像把一块糖放在水里,在慢慢溶解的过程中,很可能水的上部并不甜而下部糖块的附近是甜的,这是“体系没有达到平衡”的情况。当糖块全部融化,再加上外界的振动或搅拌等扰动,放置时间长了,体系达到了平衡,一杯糖水就均匀了。

由于气体分子具有的动能比液体分子的动能大得多,气体的扩散速度也大得多。气体就比液体更快地混合。这样的情况在实际生活中也能够遇到。例如,如果氯气泄漏了,由于氯气比空气重得多(相对比重是71,差不多是空气的两倍半),它确实会向低处流,但是,千万不要以为它只是像水那样的流动,它同时还在向高处扩散,很快地进入我们的鼻子和嘴里,对我们身体产生极其危险的伤害。风也会把它们吹向下风处,所以,我们必须迅速向上风处逃离,以免造成非常严重的后果。

老温:哦,这倒确实需要注意,涉及到我们的生命安全。那么,我还有一个问题,为什么糖放在水里会化成糖水,没有见过糖水变成一块糖和一杯水的?

老华:老兄的问题太多了,你这个问题也不是几句话讲得完的,该回家了。以后有机会再聊吧。

老温:好吧,再见!

老华:再见!




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