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《张朝阳的物理课》和开尔文来了场时空对话

来源:光明网2021-11-26 20:59

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  为什么坐飞机总犯困?为什么宇宙中氢元素极多,但大气中含量较少?11月26日,《张朝阳的物理课》第六期如约而至,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳继续坐镇搜狐视频直播间。这次他还特别准备,戴了一顶帽子,称希望打扮成19世纪数学物理学家、“热力学之父”开尔文的样子,和大家讲述“温度的故事”。

  直播中,张朝阳回顾了前五期物理课涉及的现象和公式,包括牛顿定律、波动方程、绝热指数、单摆运动等,随即科普两个关于温度的概念:第一,温度决定两个物体接触的时候,能量的流向;第二,量度的时候,用自然界热胀冷缩的刻度来定义温度t。

  讲到“用刻度定义温度”,根据开尔文的研究成果,张朝阳纠正了一个知识误区:月球背对太阳的地方,温度很低,甚至可能达到零下400℃。通过讲解,他告诉大家,实际上,温度是有下限的。物理学家确定的温度下限就是绝对零度,即零下273.15℃。

  随后,张朝阳从“经验”角度推导理想空气的状态方程,并介绍了知名化学家、物理学家的观点。其中查尔斯定律描述压强随温度作线性;盖·吕萨定律提出,一定质量的气体,在压强不变的情况下,它的体积跟热力学温度成正比;玻意耳定律认为,在定量定温下,理想气体的体积与气体的压强成反比;阿伏加德罗定律称,同温同压下,相同体积的任何气体含有相同的分子数。

  建立在几位学者提出的定律基础上,张朝阳写出了理想气体状态方程,它是描述理想气体在处于平衡态时,压强、体积、温度间关系的状态方程,可用pV=NKT,或者pV=nRT表示,式中:p为压强(Pa),V为气体体积(m³),T为温度(K),n为气体的物质的量(mol),R为摩尔气体常数(也叫普适气体恒量)。

《张朝阳的物理课》和开尔文来了场时空对话

  (张朝阳使用“直播白板”,推导理想气体状态方程)

  从“经验”导出公式后,张朝阳讲解理论、推导公式。通过计算,得到和上述通过“经验”推导的公式一样,由此打通了“经验值”和“理论值”两条路径。可以得知,温度就是分子的平均动能,温度直接对应于分子的平均动能。当压缩气体,就是对气体做功,能量增加,实际上传递到平均的分子上的速度加快了。压强升高,温度升高,体积也减小了,这是方程想要表达的。这也是蒸汽机的原理。

  学会了公式,如何应用于现实问题?张朝阳尝试解决空气密度如何随着海拔上升而变化,以及飞机上氧含量的计算。他假定在高度0和高度h时,计算出了两种高度的空气密度,得出不同高度下,氧气密度的公式。并有结论:氧气含量随着海拔增加呈指数衰减。海拔升高2000米左右,氧气含量约减少四分之一。而飞机在加压加氧的情况下,基本相当于海拔2000米的高度,所以在飞机舱内,氧气含量减少四分之一。

  最后,张朝阳解释了地球大气中氢气含量较少的原因。首先氢气轻,衰减慢,爬得高;其次和速度分布有关系,结合麦克斯韦速度分布,氢气的长尾速度超过第一宇宙速度、第二宇宙速度,地球吸不住它,就“逃离”了地球。

  自11月5日开始,《张朝阳的物理课》已直播六期。据了解,在未来课程中,张朝阳还会探讨热力学。通过设置一个个话题,以深入浅出的讲解方式,利用物理学解释生活现象,达到专业人士认可,普通人能听懂的效果,借此激发科学学习的热潮。

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