溫度的意義(三)

化學原理啟迪87

徐弘毅：

1.      我們做許多實驗，觀察到氣體粒子的「體積」、「壓力」、「溫度」、「數量」的變化，彼此有比例關係，目的是什麼？想了解氣體粒子的真實面貌。

2.      「壓力」×「體積」P×V是常數，意思是同一個容器裡的氣體粒子，在溫度一樣的情況下，不管壓力怎麼變、體積怎麼變，相乘之後的數值是固定的，這是什麼意思？

3.      粒子的質量、數量、量能（能量），並沒有在體積縮小、變大的過程中，消失或突然增加，同樣地，也沒有因為壓力變大或變小的過程中，消失或突然增加。也就是粒子的「質量守恆」、「能量守恆」。

4.      所以，氣體粒子體積縮小的時候壓力變大，或體積增加的時候壓力變小，這是粒子從一種能量的形式，轉變成另一個能量的形式。變化的過程是什麼？我們必須先對「壓力」與「體積」下定義。

5.      壓力，是限制粒子活動的「牆壁」，感覺到的粒子的撞擊力量；體積，是每個粒子維持運動慣性的空間。

6.      假設在一個夠大的容器空間裡，氣體粒子彼此之間沒有碰撞，也不會互相吸引或排斥，它們會按照慣性的速率與方向，持續進行直線運動，一直到碰上容器的牆壁阻擋，才開始改變。

7.      粒子運動受到容器阻擋後，速率一路下降為零，然後因為牆壁的反作用力反彈，速率又從零上升為「原本的移動速率」，但是「方向」相反了；牆壁的「力」改變粒子運動方向，改變粒子的慣性。

8.      粒子在容器內，按照慣性的速率與方向直線運動，能量形式是「動能1/2mu²」（注），粒子維持慣性運動的空間（注），就是氣體「體積」。

注：m是「質量」，u是「速率」。

注：因為在相同溫度、相同壓力下，氣體粒子的動能幾乎一樣，每顆粒子維持慣性佔據的空間幾乎一樣，所以會產生「同體積的氣體，含有相同的粒子數」的現象。

9.      粒子在容器牆壁的能量形式，從直線運動的「動能」，轉換成「作用力」與「反作用力」；這二股力量相加，就是氣體「壓力」。

注：因為原本的速率減緩又恢復的過程，是一種加速度；質量×加速度＝力。

10.  「體積」與「壓力」都是粒子的「動能」，能量互相轉換的現象。「溫度」和「體積」的關係成比例，也是粒子的「動能」，能量互相轉換的現象。粒子的數量與體積的關係成比例，是粒子的「動能」轉換的現象（粒子數量增加，就是粒子的總質量增加，而動能包含質量）。

11.  粒子的「動能」是貫穿這一切氣體現象的主軸。