1.气压

我们在呼吸时一直需要空气。我们都知道，肺从空气中获得我们赖以生存的氧气。这属于化学，我们以后再谈。

闭上嘴巴，我们可以用吸入的空气吹鼓自己的脸颊。这属于物理学。事实上，这是关于气压的最简单的实验。然而，通过使用气泵，比如自行车打气筒，我们可以了解更多关于空气的知识。当我们往下推活塞的时候，打气筒内的空气就被挤压在一起，也就是说，我们压缩了空气。然后空气推开一个阀门，找到进入轮胎的路。你可能已经注意到了，打完气之后，打气筒变得很烫。你可能认为是摩擦导致发热，就像你在摩擦手掌时感到温暖。的确，一部分热量是摩擦产生的，但大部分热量的产生有别的原因。一项实验可以证明这一点：摘下打气筒夹在轮胎上的夹子，直接向空气中打气。这时，打气筒的温度几乎没有升高。因此，给轮胎打气是一个“压缩加热”的例子。

自行车打气筒是一种压缩泵。此外还有抽气泵，它可以把空气从封闭的容器里吸出来。例如，抽气泵可以用于制造电灯泡，抽走电灯泡里的空气就可以避免纤细的金属灯丝燃烧。由于现代科学的进步，我们可以制造出非常高效的泵，它能抽走封闭容器里几乎所有的空气（或气体）。但在这里我们不能详细讨论泵的结构。我们感兴趣的问题是：空气是怎样的物质？是什么阻止了我们把它挤压在一起？为什么它一有机会就立即向周围的空间扩散？

想象一下假期前学校里的一个班级。放学铃声响了，教室的门开了，孩子们急匆匆地跑出去，一两分钟后教室就变得“稀薄”（几乎没有一个人）。（图1）几分钟后，走廊上孩子的“浓度”也很低了。很快，所有学生都走出了学校的正门。假期开始了，校园里变成一片“真空”。

图1

至少在1950年之前的100年或更长的时间里，物理学家对空气性质的看法就是这样的。物理学家理所当然地认为空气是由大量微小粒子构成的，他们把这些粒子称为“分子”。这些分子不停飞舞，不断相互碰撞，也不断与装空气的容器壁碰撞。如果容器壁的一部分可以移动，就像气泵里的活塞（图2），那么持续不断的分子“冰雹”就会把活塞往外推，除非活塞的另一头有什么东西阻止它移动。成群的分子倾向于在它们能到达的空间里均匀分布。如果通过挤压空气（就像往下推打气筒的活塞）使它变得更“浓厚”（密度更大），那么只要存在裂隙，分子就会由此逸出，直到它们再次在整个空间中均匀分布（尽管变得更为稀薄）。

图2

你也许会说：“是的，这很有可能，但要如何证明呢？为什么分子会有‘假日感’，像学校里即将放假的孩子一样，急匆匆地从门口冲出去呢？”

很好。我们已经建立了一种物理理论，现在必须做好准备出示证据来支持这种理论。

这种理论叫“气体分子运动论”。这个名字表明，该理论是基于分子的运动，也就是基于分子的永不停息。气体分子运动论不仅适用于空气，而且一般认为也适用于它的所有亲戚（其他气体），比如空气的组成成分——氧气和氮气，能燃烧的氢气，可以灭火的二氧化碳，有毒的一氧化碳，气味强烈的氨气，黄绿色的氯气，被称为“惰性气体”、完全不参与化学反应的氖气和氩气，以及其他不计其数的气体。

曾经有一段时间，科学家习惯于区分“永久性”气体和其他气体，他们认为，“永久性”气体不能被液化，其他气体则是液体或固体物质的“蒸气”，比如水蒸气是液态水的蒸气。然而，随着能达到的温度越来越低（图3），气体一个接一个地被液化，首先是二氧化碳（-78.5℃），接着是空气（-193℃），然后是其他我们熟悉的气体。最后只剩下一种未被液化的气体——氦气。但最终，卡末林·昂内斯[3]在-269℃的极低温度下也成功地使其液化了。

图3

很明显，气体与固、液体的蒸气之间没有实质性的差别。相反，任何液体或固体都可以在高温下蒸发，转化为真正的气体。只要加热到足够高的温度，没有物质不会熔化或蒸发，即使铁、金、铂也不例外。钨是最难蒸发的金属之一，其沸点估计为4800℃[4]。

因此，只要温度足够高，气体的概念就可以包含一切物质；而气体分子运动论被认为适用于一切处于气态的物质。

现在，我们必须给出支持气体分子运动论的证据。