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为何密度小的物质会上升,从分子或原子层次来看? 第1页

  

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密度小的气体在上只是一种宏观现象。

由于气体分子的质量较轻,重力势能较小,同时气体分子的热运动动能又较大,因此不同气体之间重力势能的差别不足以带来分层的效果。当两种气体混合后,无论在高处还是低处,都既有较重的气体又有较轻的气体。不过这种混合并不是完全均匀的,毕竟重力势能虽小但也不是完全不存在。利用热力学的玻尔兹曼分布,可以计算出在重力作用下气体的分子数密度(单位体积内的分子数)随高度的分布

其中n(z)和n(0)分别是在高度为z处和地面(重力势能为0)处的分子数密度。m是气体分子的质量,g是重力加速度,k是玻尔兹曼常数,T是温度。对于一个固定地点来说,g和k都是常数。

不难看出,分子数密度随着高度增加而指数衰减,衰减的速度与分子质量和温度有关。一个典型的例子是大气环流,在高处温度较高的热空气更多,而在低处温度较低的冷空气更多,宏观上形成热空气向上走,冷空气向下走的大气环流。需要提醒的是,大气的高度差足够大,可以产生这样的现象,日常用到的容器高度差太小,同时存在无法避免的扰动,很难观察到这样的现象。




  

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