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真空与气压
分子在运动

有些事物无所不在,我们甚至都忘了它们的存在。空气就是其中之一。我们呼吸空气,有了它,我们的身体才不会爆裂(也不会冻僵)。不过,我们意识到空气环绕着我们的时候,往往涉及气压问题,或者说涉及了气压的变化。气压变化带来了真空吸尘器的嗖嗖声,让我们坐在飞机上时觉得耳朵堵得慌,也是我们听到大笑声的原因。不管我们是否会留意到气压的存在,它都是我们生活中非常重要的一部分。

可气压到底是什么?

首先,我们通常说的“空气”其实指的是好几种元素的气体混合物。其中占大部分的是氮气,接近五分之四,再具体点说,是两个结合在一起的氮原子。空气中第二常见的元素是氧,约占五分之一,它们也是成双成对地结合在一起。大概百分之一是惰性气体氩,还有约四百分之一是二氧化碳。此外,空气中还包括其他许多微量气体。

空气中的撞击:高速度的分子

所有这些空气分子并非只是飘着,它们会以极快的速度嗖嗖地穿梭来去。按照空气的里程表上显示的,一个空气分子的速度可达约每小时1 600公里,这还是平均速度!不过它们无法安安静静地享受旅途太长时间——我们周围的空气分子只能飞上大概几纳米,就会撞到其他同类。这些小家伙结实得很,这样的撞击不会让它们分崩离析,只会让它们改变运动方向,所以我们完全可以将周围的空气视为世界上最大的弹球机——其中有数十万亿的弹球在运动!

所以就算是个好天气,好像一丝风也没有,空气中的微小的分子也依然乱作一团,它们推推搡搡、踢踢打打,不知撞得多热闹。它们每秒成千上万次的撞击带给我们的感觉便是气压。

所以说,空气其实是一种运动相当剧烈且频繁的物质。也正是因为这一点,只要有条件,空气就会消除气压的差异。如果某地有低气压,那就意味着和其他地方相比,该地的分子比较少。现在,想象一个类似的画面:一个挤满了人的房间,里面的人相互间不断碰撞。然后再想象一下,如果你撤掉了这个房间里的一张桌子,会发生什么?突然间这里就多了一个空间,里面没有一个人。但是很快会有一个人被挤到这个刚空出来的地方,紧接着又会挤进来第二个,第三个……房间中的人并非有意为之,但这个空间还是会被立即占满。气压差也是一样的道理:空气分子不会有意扩张地盘,平均地分布到每个空间去,但这种事会自动发生,因为它们之间会持续不断地碰撞。

顶部的空气更稀薄

只有一个例外:你离地球表面越高,气压就会变得越低。这是为什么呢?当然是因为万有引力了!

要理解这一点,关键是要认识到,空气中的分子所含的能量并非都一样!通过持续不断地碰撞,这些分子之间肯定会交换一些能量。这理所当然。不过,对于一个持续交换能量的由许许多多个体组成的物理系统来说,有一个铁打的事实:假以时日,这些个体终于会达到平衡状态,它们拥有的能量也不尽相同。不过,其中有些能量更多,另一些能量更少,因为在持续的能量交换中,拥有较多能量的粒子会迅速改变,但总会有些粒子的能量比平均的多,这个事实永远不变。同样,也总会有些粒子的能量比平均的少。

所以,事实上,能量在所有不同空气分子间的总体分布情况不会随着时间改变。总会有一些分子比其他分子能量高,你也可以在大气层更高的地方发现这些分子。要想在引力的牵拉下向上走,分子需要相当多的能量,因此它们拥有的能量越多,可以去的地方就越高。在很高的地方,你只会发现能量最多的那些粒子,但它们的数量很少。这便是越高的地方空气越稀薄的原因。地面之上,你每往上升8公里,空气中的压力就会下降大约四分之三。因此,大气层的高度没有止境,只是越往上空气越稀薄,最后会无限接近真空而已。

“和他一起冲出舱门!”

说到真空——这玩意儿到底有多危险呢?如果有人被踢出了太空飞船,他还没穿任何防护服,会发生什么?

你冒出来的第一个想法一定是他会爆炸:人类体内的压力刚好可以抵消大气中的压力,达到平衡状态;如果外界的压力突然没了,内部的压力难道不会让身体膨胀起来,最后爆掉吗?

事实上,这个不幸的人命运不会如此悲惨:我们的皮肤要承受的来自空气的全部重量只有几百千克而已。尽管这感觉绝不会舒服,人体(最重要的是我们的皮肤和动脉)的强度和柔韧性还是足以承受这些重量的。不过,确实有一个部位会在真空中立刻破裂:我们的肺!肺部由成千上万个非常精巧的气泡组成,被踢出气闸舱的人的肺自然会因压力差而撕裂。所以,若想在太空中活下来,第一条续命法则就是:呼气!这样你才有可能活得长一些。

要等好几秒你的身体才会把尚在体内的那点氧气耗光。所以,在你失去意识前,时间足够你意识到自己身体有点膨胀——但是不会爆掉!没有大气压压住你体内的气体和液体,它们就会开始逃向你的体外。1965年,宇航员吉姆·勒布朗(Jim Le-Blanc)因为意外暴露在接近真空的环境中,据他说,他当时感觉舌头上的唾液都冒着泡泡消失了。唾液并不会变烫,只是会化为气态,就好像嘴里有气泡水一样。不妨补充一条消息:勒布朗失去意识几秒钟之后就得救了。他完全恢复了,所以说我们的身体似乎比我们以为的要坚强。

几次事故(不幸的是,还有动物实验)揭示了人暴露在真空中能存活的最长时间——约两分钟。但务必要记得呼气啊! 1XyxMchUlh0JQs2tG+1zTSlyU9fzCpESFmbfT8uZi2lZkPHPXIJfVM07TDhk66SC

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