淺談對壓力勢能的理解VIP

1、淺談對壓力勢能理解、流體中壓力勢能的變化及飛機(jī)飛行原理 當(dāng)物體四周都受到向中間擠壓的壓力作用后，物體的體積一定縮小；物體就有了反抗這種變化而要膨脹做功的本領(lǐng)，我們把這種本領(lǐng)叫做壓力勢能。因此壓力勢能等于E=pV 。我們以氣體為例來說明壓力勢能是如何變化的。由理想氣體狀態(tài)方程可知，壓力勢能E=pV=nRT ，一定量處于平衡態(tài)的氣體，其狀態(tài)與壓強p、體積V和溫度T有關(guān)。但真實氣體的狀態(tài)通常十分復(fù)雜，而理想氣體的狀態(tài)方程具有非常簡單的形式。在普通狀況，如標(biāo)準(zhǔn)狀況，大多數(shù)實際氣體的物理行為近似于理想氣體。在合理容限內(nèi)，很多種氣體，例如氫氣、氧氣、氮氣、惰性氣體等等，以及有些較重氣體，例如二氧化碳，都可

2、以被視為理想氣體。一般而言，在較高溫度，較低壓強，氣體的物理行為比較像理想氣體。這是因為，對抗分子間作用力的機(jī)械功，與粒子的動能相比，變得較不顯著；另外，分子的大小，與分子與分子之間的相隔空間相比，也變得較不顯著。因此氣體的內(nèi)能只包括物體內(nèi)所有分子無規(guī)則運動的動能，忽略分子之間由于作用力而產(chǎn)生的勢能。分子無規(guī)則運動的動能與溫度有關(guān)；溫度越高分子無規(guī)則運動的動能就越大，也就是一定量的氣體溫度越高內(nèi)能越大。在溫度不變時,理想氣體的壓力勢能是不變的。實際生活中，當(dāng)我們對氣體壓縮是做功時，氣體溫度T是升高的，氣體的體積V是縮小的，壓縮氣體做功后，氣體的壓力勢能用p1V1=nRT 1表示 ；沒壓縮前，氣

3、體的壓力勢能用pV=nRT表示，由于我們忽略了對抗分子間作用力的機(jī)械功；可見此時氣體的壓力勢能就是氣體的內(nèi)能。那么我們做的功W=p1V1pV=nRT 1nRT=nR(T1-T) 。由于我們對氣體壓縮做功的過程就是氣體壓力勢能增大的過程（即氣體內(nèi)能增大的過程)?？梢妼τ趯嶋H生活中的氣體壓縮時pV的乘積是變大的，由上面的公式可推出nR=p1V1/T 1=pV/T推出p1=T1VP/TV1 ，又由于T1T ,VV1 ，所以T1V/TV1 1 ,所以p1p 。由此得出一個規(guī)律是：對于一定量的氣體，壓縮氣體做功時，氣體的壓力勢能增大（內(nèi)能增大），氣體體積V縮小，氣體的壓強p變大。反之，氣體膨脹對外做功時

4、，氣體的壓力勢能變小（氣體內(nèi)能變?。?，氣體體積V變大，氣體的壓強p變小。這也可從微觀方面由氣體壓強產(chǎn)生的原因來解釋：1:氣體的壓強是大量的氣體分子頻繁地碰撞容器壁而產(chǎn)生的。2：氣體的壓強就是大量氣體分子作用在器壁單位面積上的平均作用力。3：影響氣體壓強的兩個因素：（1）氣體分子的平均動能；從宏觀上看是氣體的溫度。（2）單位體積內(nèi)的分子數(shù) （即分子的密集程度） ；從宏觀上看是單位體積的氣體的物質(zhì)的量（摩爾數(shù)）。可見壓縮氣體后氣體的溫度高了，氣體分子的平均動能大了，內(nèi)能就大了，也就是氣體的壓力勢能變大了；氣體的體積小了，單位體積的氣體分子個數(shù)多了，所以氣體的壓強也變大了。再由宏觀上看，氣體的壓力勢

5、能的大小由氣體的壓強與氣體的體積的乘積大小決定的，再由E=pV=nRT可知：氣體壓力勢能（內(nèi)能）的大小由氣體的物質(zhì)的量（摩爾數(shù))和溫度及常數(shù)的乘積決定的。 對于流動的氣體而言，要使氣體的壓強變大，我們也得壓縮氣體，使氣體的壓力勢能增大。當(dāng)在氣體運動方向的前方放一個阻擋氣體運動的物體時，在物體前方的氣體被阻擋，氣體速度變小，氣體就被壓縮了，氣體的壓力勢能變大，溫度升高。單位體積的氣體分子個數(shù)變多了，溫度升高了；氣體的壓強就變大了；同時物體的后方氣體，單位體積的氣體分子變少，溫度變小，氣體的壓強就變小。對于流動的氣體由于體積的變化不易看出，但速度的變化很容易感受到，因此我們常用：流動的氣體速度變小

6、時，溫度升高，壓強變大；流動的氣體的速度變大時，溫度降低，壓強變小。來判斷流動氣體壓強的變化。飛機(jī)是如何飛行上升的？我們只解釋飛機(jī)的上升過程。飛機(jī)的機(jī)翼橫截面一般是前端圓鈍、后端尖銳長，上表面拱起、下表面較平的形狀,并且還有迎角。如圖（1）當(dāng)飛機(jī)飛行上升時，下表面的氣體由于迎角和前端圓鈍部分的前方的氣體被壓縮，壓力勢能（壓強）變大，上表面后端的氣體壓力勢能（壓強）變??；氣體變大的壓力勢能大于氣體減小的壓力勢能；總的來說氣體的壓力勢能是變大的，氣體的壓力勢能通過對飛機(jī)向上做功，使飛機(jī)的重力勢能增大，所以飛機(jī)逐漸升高?？偟膩碚f，飛機(jī)上升過程的過程就是飛機(jī)發(fā)動機(jī)把燃料燃燒的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成飛機(jī)的重力勢能

7、和克服空氣阻力產(chǎn)生的熱能的過程。在飛機(jī)的機(jī)翼上一般還安裝有副翼和襟翼來改變空氣的壓力勢能，操縱副翼可使飛機(jī)滾轉(zhuǎn)；放下襟翼能使機(jī)翼升力增大。飛機(jī)上升時的受力情況：如圖（2）前端圓鈍部分的前方的氣體對飛機(jī)的壓力F1;上表面后端的氣體對飛機(jī)的壓力F2;下表面的氣體對飛機(jī)的壓力F3;發(fā)動機(jī)對飛機(jī)的推力F推；飛機(jī)受到的重力G;空氣對飛機(jī)的阻力F阻（來自空氣的粘性阻力）。我們把這六個力看成共點力，把飛機(jī)看做質(zhì)點，如圖（3）以（飛機(jī)）質(zhì)點作為原點，以水平方向作為橫坐標(biāo)x，豎直方向作為縱坐標(biāo)y。把這六個力分解，縱坐標(biāo)上豎直向上的合力就是使飛機(jī)上升的力；橫坐標(biāo)水平向前的合力就是使飛機(jī)加速向前的力。對于液體，以水

8、為例：水的壓力勢能如何產(chǎn)生的呢？我們把水盛在容器里，由于水具有流動性，水又受到重力，上方的大氣向下的壓力，容器壁的阻力，就形成了對水向中間的壓力，水的體積一定變??；這個變化很小但一定有。水就反抗這種變化，而就有了對外膨脹做功的本領(lǐng)，這就是水的壓力勢能?？傊膲毫菽苁莵碜缘厍虻闹亓Ξa(chǎn)生的。當(dāng)我們把一杯水帶到太空的宇宙飛船上，使水處于失重狀態(tài)，由p=gh及此時g是0N/kg可知：水產(chǎn)生的壓強是0帕 ，所以在太空中，失重的水不會產(chǎn)生壓強,也沒有壓力勢能 。由E=pV可知在地球上，靜止在容器中的水，其壓力勢能是不變的（p是水產(chǎn)生的平均壓強）。由上面對氣體壓強的變化分析可知：當(dāng)流動的水速度變小時，水

9、的體積一定變小，雖然這種變化很小但一定有，因此水的壓強此時變大。在前人研究流體時，采取了流體為不可壓縮和無粘性的假設(shè)，就得到違背事實的達(dá)朗伯佯謬（物體在流體中運動時的阻力等于零）；但實際水的體積是變化的，這也是產(chǎn)生達(dá)朗伯佯謬的一個原因。對于流動的水由于體積的變化很小很小，體積的變化不易看出，但速度的變化很容易感受到，因此我們常用：流動的液體速度變小時，壓強變大；速度變大時，壓強變小。來判斷流動液體壓強的變化。生活中的固體，在受到外來的壓力的擠壓時體積也會變小，但體積變化的非常微小，由（W=Fs=壓強乘以受力面積乘以距離=pV=壓力勢能 E）可知，即使我們對固體施加較大的壓力擠壓，由于固體體積變化非常的微小，在壓力的方向上距離的變化也是非常的微小，我們對固體做的功非常的微小，由能量的轉(zhuǎn)化可知引起固體壓力勢能的變化也是非常小的，在生活中幾乎忽略不