从微观角度论述环境温湿度设备中温度和气体压强的关系

从微观角度论述环境温湿度设备中温度和气体压强的关系

吴俊,吴崔俊,王茂军,赵敏,李平,章俊

宣城市标准计量所，安徽 宣城 242000

摘要：气体压强指的是气体对环境温湿度设备内壁单位面积所施加的压力。由于环境温湿度设备内的气体处于相对密闭的空间中，受外界环境影响较小，且环境温湿度设备的温度变化范围一般在（-50∽1000）℃内，无法让气体改变形态。大部分的气体在一般压强和温度下都不易液化，他们的性质非常接近理想气体，所以为了研究的方便可以近似的认为环境温湿度设备内的气体为理想气体！

关键词：理想气体；温度；压力；气体压强

一、概述

1、温度

①环境温湿度设备加热系统的工作原理：环境温湿度设备的加热器一般位于仪器的下端，在设定好温度启动仪器后，加热器得到中控系统的指令开始工作。随着加热器的工作，加热器附近的气体温度不断的升高，被加热的气体体积随之不断发生膨胀。

由于环境温湿度设备内的气体相对处于一个密闭空间内，可假设其质量保持不变，在此情况下被加热气体的密度随着体积的膨胀不断变小。仪器内部上端远离加热器没有被加热的气体密度与之相比较大，密度大的相比之下较重，这部分气体会下沉。被加热的气体靠近仪器下端，它的体积膨胀导致其只能向上运动，这部分气体会上升。环境温湿度设备内的气体的上升和下沉就会形成一种小范围内的空气对流！下沉的气体靠近加热器又会被加热，其会继续上升再次和没被加热的那部分气体形成对流！如此循环往复，整个仪器内的空气温度就会不断地升高，直到整个仪器内的空气温度都达到仪器设定的温度值。若是带有鼓风装置的话，这一过程会被大大缩短。

这时中控系统通过温度传感器感知到仪器内空气温度达到设定温度这一状态后，中控系统控制加热器停止工作。这时仪器内空气的对流消失，仪器内的空气温度保持在一个相对的稳定的状态。

②制冷系统的工作原理：环境温湿度设备一般的制冷方式为机械制冷。在设定好温度后，温度传感器感知到环境温湿度设备内的空气温度高于设定温度，中控系统控制压缩机开始工作。在温度过低时，可采取辅助液氮制冷。

制冷剂在蒸发器中通过吸收环境温湿度设备内气体传导的热量气化，被压缩机压缩成高压气体后送入冷凝器中。制冷剂吸收的热量在被冷凝器吸收后，通过风机被排放到仪器外部。而气化后的制冷剂又再度冷凝结成液体，被送回到蒸发器中！如此循环往复，环境温湿度设备内的热量不断被带出设备外从而达到了降温的效果！在压缩机不断工作下，温度降到设定的温度值，温度传感器感知到后通过中控系统让压缩机停止工作。

环境温湿度设备相当于一个密闭空间，其内部空气在温度达到设定温度后一定时间内相对处于稳定状态。

2、气体压强

气体压强指的是气体对环境温湿度设备内壁单位面积所施加的压力。

由于环境温湿度设备内的气体处于相对密闭的空间中，受外界环境影响较小，且环境温湿度设备的温度的变化范围一般在（-50∽1000）℃内，无法让气体改变形态，大部分的气体在一般压强和温度下都不易液化，他们的性质非常接近理想气体，所以为了研究的方便可以近似的认为环境温湿度设备内的气体为理想气体！

理想气体的相关假设：

①由于气体分子不停地处于运动状态，气体分子之间距离较大，大于10r0（r0表示气体分子的直径），所以假设气体分子间没有相互吸引和排斥，气体分子间的相互作用力不考虑势能，只考虑动能。

②假设气体分子只有质量没有体积，相当于质点。每个气体分子在空气中的运动是独立的，其与其他分子无相互作用，只与仪器内壁发生碰撞，所以其与仪器内壁碰撞不造成能量的损耗。在容器中，在未碰撞时考虑气体分子作匀速直线运动，气体分子碰撞时是完全弹性的，只发生速度交换，不造成动能损失。

二、从微观角度进行分析

我们根据理想气体的相关假设从微观角度来分别对压强与温度的关系进行描述。

①根据第一个假设判断温度和压强的关系：环境温湿度设备内的气体受热后，气体分子随着温度的升高，气体分子获得的能量变多。随着获得能量的增强，分子运动的速度就会加快，分子间的动能就会变大。根据分子动能公式（n为分子数量；m为单个分子质量；为分子平均运动速度），环境温湿度设备相对处于一个密闭状态，根据阿伏加德罗定律（同温同压下，相同体积的任何气体含有相同的分子数），可认为分子数量是不变的。可知在环境温湿度设备内当温度没有达到让气体改变物质形态的情况下为一个定量，所以在气体分子受热后，分子运动速度增加后，分子动能必然变大！

分子的动能变大，其对内壁产生的压力必然变大，单位面积内受到的压力变大，所以气体压强会随着温度的变大而变大。

②根据第二个假设判断温度和压强的关系：设气体分子和仪器内壁的碰撞，速度为v，其碰撞没有能量损耗，仍然以速度v反弹回来。

分子动量的增加量∆p=mv-（-mv）=2mv，设备内壁碰撞受到的分子力f==，假设设备内气体的分子密度为n，体积为V，截面积为S，L为容器长度(L是t时间内分子所运动的距离），速度为

。则设备内气体分子数N=nV,V=SL=Svt。单位体积内的分子共同作用于设备内壁从而产生了压强，内壁受到的压强p======2nm2。所以温度升高后，随着气体分子运动速度变快，其必然导致气体压强变大。

③根据理想气体状态方程来判断温度和压强的关系：理想气体状态方程即克拉伯龙方程pV=nRT(p为压强，V为体积，n为物质的量，R为普通气体常量，T为绝对温度)。P。环境温湿度设备内的气体，相当于密闭空间内的气体，可认为其体积V保持不变，物质的量n和气体常数R不变，则为常数。由此可看出压强p和温度T成正比，即温度升高则压强变大。

④根据查理定律：一定质量的气体，当其体积一定时，它的压强与热力学温度成正比。即公式1：P1/T1=P2/T2=C3（常量）或公式2：Pt=P0（1+t/273）式中P0为0℃时气体的压强，t为摄氏温度。

由于环境温湿度设备内的气体相对处于一个密闭空间内，则其随着温度的变化体积相对保持不变。而一般情况下温度的变化不足以改变气体的状态，则认为其质量也保持相对不变。所以环境温湿度设备内的气体符合查理定律。

P1=C3×T1、P2=C3×T2，当T2>T1，则P2>P1。

Pt=P0（1+t/273）则Pt随着t的升高而变大。

所以根据查理定律，温度升高压强变大。

三、总结

综上所述从微观角度，我们经过多方面研究可以得到结论：环境温湿度设备内的气体温度和压强成正比，即温度升高压强变大，温度降低压强变小。

参考文献

[1]克拉伯龙方程

[2]理想气体

[3]查理定律

[4]阿伏加德罗定律