氣體

大氣、氣壓、氣體定律、氣體動力論、擴散

3D 有趣實驗:大氣壓力與水沸騰

3D 有趣實驗:大氣壓力與水沸騰
國立臺北教育大學自然科教育系 周金城副教授

前言

在平地一大氣壓下,水的沸點大約是攝氏一百度;但在高山地區,山上氣壓較小,水的沸點因此也較低,水在不到攝氏一百度就可以沸騰了!本實驗將利用抽氣罐模擬山上壓力較低的環境,讓已沸騰的水在沒有持續加熱冷卻的情況下,能夠再次沸騰。

實驗影片

3D 有趣實驗:大氣壓力與水沸騰,開啟YouTube影片後,若設備允許,可以開啟最高解析度。右下角可以選擇2D或開啟3D。若開啟3D,選項有並排或紅藍等3D效果選項,請依您的設備選取適當格式。

3D有趣的實驗:大氣壓力的力量

3D有趣的實驗:大氣壓力的力量
國立臺北教育大學自然科教育系 周金城副教授

前言

一莫耳的水18克,體積約18毫升,100℃的水加熱變成100℃的水蒸氣,體積可達30586毫升,體積膨脹1700倍。當我們在奶粉罐裡加入少許的水加熱使其沸騰,此時將鐵罐密封起來,水在沸騰後變成水蒸氣時體積膨脹最高可達1700倍。相反的,當水蒸氣變成水時,體積縮小1700倍。於充滿水蒸氣的鐵罐外澆冷水讓奶粉罐降溫,裡面的水蒸氣因為降溫凝結成水,體積也縮小1700倍,體積瞬間縮小,導致奶粉罐外的大氣壓力的擠壓,使瓶內往內收縮而變形。

實驗影片

3D 有趣實驗:神奇的大氣壓力,上傳Youtube網站,

開啟YouTube影片後,若設備允許,可以開啟最高解析度。右下角可以選擇2D或開啟3D。若開啟3D,選項有並排或紅藍等3D效果選項,請依您的設備選取適當格式。

絕對壓力

絕對壓力 (Absolute Pressure)
國立臺灣大學物理學系 曾奕晴

壓力的定義

在物理學上,壓力 (\(\mathrm{P}\), Pressure) 的定義為物體在單位面積上所受的正向力。用數學式表達即為 \(P=\frac{F}{A}\),其中 \(F\) 為作用之正向力,\(A\) 為表面積。

壓力有許多不同的單位表示方法,其中常用的有標準大氣壓 (\(\mathrm{atm}\))、帕斯卡 (\(\mathrm{Pa}\), pascal)、巴 (\(\mathrm{bar}\))、托 (\(\mathrm{torr}\))、公分水銀柱 (\(\mathrm{cm-Hg}\)),以及 \(\mathrm{PSI}\)(磅/平方英吋)。

理想氣體和凡得瓦爾氣體的比較-以二氧化碳為例

理想氣體和凡得瓦爾氣體的比較-以二氧化碳為例
(Comparison of ideal gas and van der Waals gases – a case study in carbon dioxide)

國立臺灣師範大學化學系兼任教師 邱智宏

初學物理化學 (physical chemistry) 時,理想氣體 (perfect gas) 如影隨形,無時不在,隨時出現在各個不同的章節。由於理想氣體假設其氣體粒子不具有體積、粒子間没有吸引力、彼此間的碰撞為彈性碰撞,因此其 \(p \cdot V \cdot T\) 間的關係,可以簡潔的以 \(pV=nRT\) 加以描述。

然而真實氣體究竟佔有體積,彼此具有吸引力,碰撞時也非彈性碰撞,因此其許多特性和理想氣體不一樣,例如低溫高壓下,真實氣體大大偏離理想氣體、能被液化、有特殊的臨界點 (critical point)⋯ 等。歷來許多科學家總希望由簡潔的理想氣體方程式出發,企圖能找到一個足以說明真實氣體的方程式,其中凡得瓦爾方程式 (van der Waals equation) 就是一個很好的例子,在數學上雖然稍微複雜一些,但卻能解釋很多真實氣體的現象。

本文試著比較二種方程式的異同,並由其相異之處,解釋為何凡得瓦爾方程式更能接近真實氣體的理由。另外,以二氧化碳為例,觀察其相圖的變化情形,並說明凡得瓦爾方程式可信及不足之處。

大氣壓力 (Atmospheric pressure) 與大氣壓 (Atmosphere, atm)

大氣壓力 (Atmospheric pressure) 與大氣壓 (Atmosphere, atm)

國立臺灣大學化學工程系碩士生吳宗澤/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

大氣壓力 (Atmospheric pressure) 來自於大氣層中空氣所產生的重力,大氣壓 (Atmosphere),為描述大氣壓力大小的單位之一,通常以縮寫「atm」表示。

在較低海拔時,由於其上的氣體量比高海拔處多,故具有較大的大氣壓力;反之,高空的空氣較稀薄,大氣壓力也就隨著海拔高度而逐漸下降,其關係可以由以下的關係式來說明:

P:壓力,P0:海平面上的平均壓力,z:高度,H:尺度高 (Scale height)。

尺度高不是常數,會受到溫度影響。空氣熱脹冷縮,當溫度升高時,空氣密度變低,相同面積的土地其上方的空氣也就較輕,所以高溫地帶的大氣壓力較低。同理,溫度越高尺度高越大;對於相同的P0以及z來說,H越大,則會造成P越小。

由於不同地方的海拔高度不同,也因此我們需要一個標準大氣壓值為參考標準,國際參考壓力值定義地球海平面上的平均壓力為101325 Pa,也就是1 atm。下表為其他大氣壓力單位和大氣壓的轉換關係。

氣壓計(Barometer)

氣壓計(Barometer)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

氣壓計(Barometer),氣象學中用於測量大氣壓力(Atmospheric pressure)的一種科學儀器;利用水、水銀等測量大氣的壓力。由於氣壓可能會影響到某些實驗的結果,因此在實驗室內,有時會有氣壓計的蹤跡。

義大利物理學家托里切利(Evangelista Torricelli, 1608 – 1647)於1643年發明的水銀氣壓計,是科學史上最早的一種氣壓計,又稱為托里切利氣壓計(Torricellian barometer)。氣壓計為一端密封之長玻璃細管,管內裝滿水銀後將其倒扣於一裝著水銀的容器中(圖一)。托里切利觀察到當細管倒扣於容器中時會有部 份的水銀從管中流出,剩下的水銀管柱高度隨不同的天氣狀態略有升降,然而其高度大致維持在76公分(760 mm)附近。

圖一、托里切利氣壓計

臭氧

臭氧 (Ozone)
臺北縣立三重高級中學化學科潘鈺婷老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

一般人對臭氧的印象是有用的物質。例如可殺菌、可保護地球上的生物避免受到過多紫外線侵害。然而根據環保署統計,懸浮微粒不是台灣頭號污染物,最大的氣體污染源其實是臭氧(O3)。全台空氣品質不良的日子,每四天之中有三天是受到臭氧污染,臭氧對國人身體的危害更甚於懸浮微粒。如此看來,臭氧真是令人又愛又恨且與我們生活息息相關,我們或許應該多了解它一些。