第六章 D 压缩气体的应用

从1637年明朝宋应星所著《天工开物》一书中，可以看到产生压缩空气的活塞式风箱已经被普遍采用了。图6-33中描写了匠人在炼铁炉旁操作手-拉风箱的情景，但这种操作是依靠体力维持的。现在，人们可以用电力来驱动鼓风机，使电动机带动叶轮旋转，连续不断地向锅炉送风，极大地改善了工作条件。

不仅如此，我们还能通过压缩机械（如压缩泵等）将气体体积压缩，并把压缩了体积的气体储存起来，随时加以利用。人们把储存在高压容器中的气体称为压缩气体。图6-34中所示的就是一种气体压缩泵。利用压缩气体可以控制一些机械装置的运动，大客车的制动系统，通常就是利用压缩气体作为动力加以操纵的。

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在现代生活中，哪些用品和压缩气体的应用有关？

压缩气体在日常生活中也有许多应用，其中就蕴涵了气体定律的原理。我们先来做一个简单实验，来看看气体压缩时会出现的一些现象。

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在一个如图6-35所示的扁平塑料饮料瓶靠近底部的四面，用针对称地刺四个小孔，灌入大半瓶水后，比较盖紧瓶盖和打开瓶盖两种情况下所见现象的区别。再从不同方向挤压瓶体，观察所发生的情况，并作出解释。

STS

当气体体积被压缩时，气体的压强增大，就会产生一定的力的作用。大客车的制动系统和车门开关的机构，通常是以压缩空气为动力来进行控制的。

图6-36所示是位于大客车车门上方的双向气阀构造图。电磁控制阀由售票员或司机通过按钮来控制。从图中可看出，电磁控制阀的作用是使压缩空气根据需要轮流从进气管进入气缸内活塞的两侧，使活塞做往复运动，从而实现开门和关门的动作。

我国敦煌石窟中的飞天壁画描绘了古人对自由飞翔的向往。现代航空航天技术的飞速发展，使人类飞出地球，进入太空。但是太空环境与地球上有很大差别，所以在太空舱外行走或工作的航天员必须穿航天服，见图6-37。航天服也利用压缩空气来保护航天员。

1．一定质量的气体，保持温度不变并减少其体积，就可以获得压缩气体。

航天服是怎样利用压缩气体的呢？

航天服的功能与一艘单人宇宙飞船类似，外表要经得住细小陨石和微尘的高速冲击，不允许有丝毫破损；内部充有气体，在巨大的温差下能保持恒温、恒压。此外，航天服中还应当储存一定量的水和食物，以及安置能够容纳排泄物的容器。

示例1

1965年3月1 8日，苏联航天员列昂诺夫离开“上升二号”飞船密封舱，系着安全带第一次实现了人类到茫茫太空中行走的梦想。但在返回飞船时却遇到了意想不到的困难，因为太空几乎是真空，他的航天服有些向外膨胀，很难从密封舱的接口处钻回舱内。试估计航天员在太空行走时每平方米航天服上所承受的气体压力。他应使用什么方法可以安全地回到密封舱内？

【分析】由于航天服内部的气体压强必须是大气压，因此每平方米上的气体压力的大小就是大气压强。要回到密封舱，关键问题是要减小航天服的体积。

【解答】作为估计，大气压强p₀＝1.0×10⁵Pa，所以每平方米航天服上的压力

F＝p₀S＝1.0×10⁵Pa×1m²＝1.0×10⁵N。

要减小膨胀后航天服的体积，一种方法是降低航天服内气体的温度，这样可以减少内部气体的压强，从而减少向外膨胀的力量；另一种方法就是排出一些航天服内的气体，同样可以起到减小内部压强的作用，当然第二种方法是非常危险的。

那么，除了减少体积可以获得压缩气体以外，还有什么方法可以获得压缩气体呢？

高压锅里的压缩气体是怎样产生的？

按照查理定律，一定质量的气体在体积不变的情况下，其压强随温度升高而升高，因此，我们还可以用升高温度的方法来获得压缩气体，高压锅就是一个非常典型的例子。

2．一定质量的气体，当体积不变时，通过升高温度也可以获得压缩气体。

示例2

高压锅有很好的密封性，基本上不会漏气。锅盖中间有一个排气孔，上面套有类似砝码的限压阀，将排气孔堵住。当加热高压锅，锅内气体压强增加到一定程度时，气体就能把限压阀顶起来，部分蒸汽即从排气孔排出锅外。已知某高压锅的限压阀的质量是0.1kg，排气孔直径约为0.3cm，则锅内气体的压强最大可达多少？已知压强每增加3.5×10³Pa，水的沸点相应增加1℃，则这只高压锅内能达到的最高温度是多少？（g取10m/s²）

【分析】当气体把限压阀顶起来时，锅内部气体的压力和外部大气压力之差刚好与限压阀所有的重力平衡，只要根据力的平衡条件就可以求出此时气体的压强。

【解答】设大气压强p₀＝1.013×10⁵Pa，内部气体压强为p，则：

pS－p₀S＝mg。

所以，

p＝p₀＋$\frac{mg}{S}$＝p₀＋$\frac{mg}{\pi r^2}$＝（1.013×10⁵＋$\frac{0.1\times 10}{3.14\times {0.15}^2\times {10}^{-4}}$）Pa≈2.428×10⁵Pa。

由于水的沸点每升高1℃，气体压强增加3.5×10³Pa，所以高压锅内的气体温度最多能达到的值，存在如下限制：

t＝100℃＋$\frac{2.428\times {10}^5-1.013\times {10}^5}{3.5\times {10}^3}$×1℃≈140℃。

【讨论】要继续增加高压锅内的气体的最大温度值，可增加限压阀的质量或减少排气孔的面积。但同时应增加高压锅整体的抗压能力，比如采用更坚固的材料或增加锅壁的厚度等。

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潜艇里把水排出船舱利用的也是压缩气体，我们不妨用沉浮子实验来模拟一下潜艇的工作情况。

在一个量筒内放入大半筒水，里面放入一个倒置的小瓶，小瓶内留有大约一半水，使其能刚好浮出水面；再用橡胶薄膜把量筒口密封，如图6-38所示。当用力挤压橡胶薄膜时，可以观察到什么现象？为什么？

这个实验中的小瓶与鱼的鳔或者小瓶的沉浮与潜艇的沉浮有什么相似之处？也可以用一个软壳的矿泉水瓶代替量筒来做实验，小瓶可用一根火柴代替。

英语角

What Is Matter

Every substance in the Universe,from the smallest speck of dust to the largest star,is composed of matter.Substances consist of tiny particles,called atoms, these particles can combine in a variety of ways.That is why so many different types of matter exist.All matter has mass—the greater the mass of an object,the more matter it contains.

发布时间：2016/6/3 上午10:32:46  阅读次数：1223