流体压强与压力势能和飞机飞行原理探讨(再修改)

流体压强与压力势能和飞机飞行原理探讨(再修改)（山东省嘉祥县卧龙山街道卧龙山中学：李殿亮）首先解释一下：什么是压力势能？我认为：当物体四周都受到向中间挤压的压力作用后，物体的体积一定缩小；物体就有了反抗这种变化而要膨胀做功的本领，我们把这种因物体体积的大小发生变化而具有的做功的本领叫做压力势能。

因此压力势能等于E=pV 。

我们初中物理课本上,有这样一个实验：在一个配有活塞的厚玻璃筒中放一小团硝化棉，迅速向下压活塞，气体被压缩后，温度升高，压强变大，内能和压力势能都增大。

硝化棉就燃烧起来了。

还有内燃机的压缩冲程等；由上面的实验我们得出：对于实际的气体，压缩气体做功时，气体温度升高，内能增大,气体的压力势能和压强也增大，气体的体积是缩小的。

做功的过程就是其他能转化成气体内能和压力势能的过程。

对于流动的气体，要使气体压强变大（使气体的压力势能增大）也得给气体压力，压缩气体做功。

对于流动的气体，在沿气体运动速度方向的前方，放一个阻挡气体运动的物体时，在物体前方的气体被阻挡，气体就被压缩了，气体速度就变小了。

这是其他物体对气体做功的过程，所以气体的压力势能和内能都变大，温度升高，压强变大。

因此对于同一个系统内的流动气体，当气体的流动速度变小时，说明气体被压缩了，其他物体对气体做功了，气体的压力势能和内能就增大了，温度升高了和压强就变大了；当气体的流动速度变大时，说明气体体积膨胀对外做功，气体的压力势能和内能就减小了，温度就变小了，转化成气体向前运动的气体本身的动能或其他物体的其他能量。

流动的气体速度变小时（气体被压缩），流动气体的压强变大，温度升高。

流动的气体，速度变大时（气体体积膨胀），气体的压强变小，温度降低。

对于液体，我们可做这样一个实验：在一个玻璃注射器内，我们装入大多数的水和少量空气。

封闭注射器的出水孔。

把注射器内的水和空气密闭好后，然后推动注射器活塞压缩气体和水，可见注射器内的气体体积减小，气体的压强变大，来说明水产生的压强也变大了，因为此时，气体的压强始终等于水的压强。

可见我们给液体压力，压缩液体做功时，液体的压强也变大，液体的体积也变小；虽然液体的体积变化很小，但一定有这种变化。

正是由于液体的压强变大是个有限值，液体的体积变化是一个很小的量，所以两者的乘积也是一个很小很小的量，即我们对液体做的功可以忽略不计，认为没做功，可认为液体的内能和压力势能也没变化，温度也没变化，但压强的变化太大了不能忽略。

可见对于液体也是：流动的液体速度变小时（液体被压缩），流动液体的压强变大；流动的液体，速度变大时（液体体积膨胀），流动液体的压强变小。

对于流动的气体和液体，我们可总结为：对于同一系统的流体：流体速度变小时（流体被压缩），流体的压强变大；流体速度变大时（流体体积膨胀），流体压强会变小；流体速度不变，压强就不变。

（对于流体速度的变化，我们沿流体速度方向把流体分为前后两部分，我们把后面的流体当做参照物，来判断前面的流体速度的变化）。

这一结论对于理想流体和粘性流体等任何流体都适用。

流体速度的判断应以流体对那个物体产生了压力和压强，就以那个物体为参照物。

为了便于判断流体是被压缩的，还是膨胀做功的，我们才那样选择了后面的流体作为参照物。

也就是为了不同的目的，才选择了以不同的物体为参照物。

对于气体，我们也可用气态方程来解释：以气体为例，来说明压力势能是如何变化的。

由理想气体状态方程可知，压力势能E=pV=nRT ，一定量的处于平衡态的气体，其状态与压强p、体积V和温度T有关。

但真实气体的状态通常十分复杂，而理想气体的状态方程具有非常简单的形式。

一般而言，在较高温度，较低压强，气体的物理行为比较像理想气体。

对于理想气体：对抗分子间作用力的机械能（内能中的分子势能部分），与分子的动能(内能中的分子动能部分）相比，变得较不显著；另外，分子的大小，与分子与分子之间的相隔空间相比，也变得较不显著。

因此认为气体的内能只包括气体内所有分子无规则运动引起的动能总和，忽略了分子之间由于作用力而产生的势能。

分子无规则运动的平均动能与温度有关；温度越高，分子无规则运动的平均动能就越大，也就是一定量的气体温度越高，内能越大。

一定量的气体，在温度不变时,理想气体的内能是不变的，压力势能也是不变的。

但气体的内能与气体的压力势能是不同的概念,气体的内能等于气体分子的平均动能乘以气体分子的总个数；气体的压力势能等于大量气体分子作用在器壁上单位面积上的平均作用力（气体的压强）乘以气体体积；可见气体的压力势能是气体分子通过对物体表面的碰撞，物体产生距离时即气体碰撞时，把分子的动能(内能)转化成了物体的动能，与物体表面接触的部分气体分子对物体表面发生了碰撞，动能减小，其他分子再相互碰撞，最后所有分子动能趋于相等，总的动能（内能）减小了，转化成了其他能量。

所以压力势能是所有气体分子动能（内能）的其中一部分。

对气体做功前，没被压缩的气体其压力势能用E=pV=nRT表示，气体被压缩后的气体的压力势能用E1=p1V1=nRT 1表示。

由于T1>T ，那么压缩气体做的功W=p1V1—pV=nRT 1—nRT=nR(T1-T)>0 ，所以气体的压力势能是增大的。

由公式还可推出：nR=p1V1/T 1=pV/T，推出p1=T1VP/TV1 ，又由于T1>T , V>V1 ，所以T1V/TV1 >1 ,所以p1>p ，气体的压强也是增大的。

由此对于实际的气体得出一个这样的规律：对于一定量的气体（物质的量摩尔数不变），压缩气体做功时，气体的压力势能增大，（内能增大，温度升高），压强增大,气体体积V缩小；反之，气体膨胀对外做功时，气体的压力势能变小，气体压强会变小；（内能变小，温度降低）,气体体积V变大。

这也可从微观方面，由气体压强产生的原因来解释：1:气体的压强是大量的气体分子频繁地碰撞容器壁而产生的。

2：气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力。

3：影响气体压强的两个因素：（1）气体分子的平均动能；从宏观上看是气体的温度。

（2）单位体积内的分子数（即分子的密集程度），从宏观上看是单位体积的气体的物质的量（摩尔数）。

可见压缩气体后气体的温度高了，气体分子的平均动能增大了，平均单个分子对器壁碰撞产生的力就大了；气体的体积变小了，单位体积的气体分子个数就多了，气体分子的密集程度增大了，单位面积上对容器壁碰撞的分子个数就多了，由于这两个原因，所以气体的压强p也就变大了。

再由E=pV=nRT可知：气体的压力势能与气体的内能(刚性理想气体的内能等于气体全体分子的总动能）有关，气体的压力势能其大小是由气体的物质的量（摩尔数)和温度及常数的乘积决定的。

所以压力势能是内能的一部分，是通过改变物体体积而引起物体内能发生改变的这部分内能。

因此压力势能不是机械能而是物体的内能的一部分。

所以压力势能不应叫压力势能而应叫压力内能，可见大多数人分不清压力势能是什么能。

当气体的速度改变时，单位体积内的气体分子个数一定变化了，即只要气体的速度变化了，气体的压强也一定变化，也就是流动的气体速度变小时，气体的压强一定变大；气体速度变大时，压强一定变小；气体速度不变，气体压强就不变。

因为当气体速度发生变化时，说明气体一定受到了力的作用，而气体速度的变化引起了单位体积内的气体分子个数的变化，所以气体的压强一定发生变化。

但流动的气体压强发生变化时即压力势能发生变化时，这种变化不一定是动能的变化引起的，可能是其他能的变化引起的，即流动的气体压强发生变化时，流动的气体的速度不一定变化。

当只有发生了气体的压力势能转化成动能时，才存在，流动的气体压强变大时速度变小；流动的气体压强变小时，速度变大。

对于理想流体我们常用伯努利原理来解释，伯努利方程一些人认为是机械能守恒，内容是动能加重力势能加压力势能等于常数。

其适用条件是：理想流体，机械能守恒。

理想流体是不可压缩、不计粘性（粘度为零）的流体。

现实中并不存在理想流体，但理想流体模型可应用于一些粘性影响较小的情况中，使问题得以简化。

伯努利原理是伯努利在研究自然流动的水时得出的，流动的水只要速度发生了变化，水的体积就发生变化，只不过体积变化很小。

这种体积的变化对于固体和液体是很小的，可以忽略不计。

所以把自然流动的水就看成理想流体是可以的。

但流动的气体的速度发生变化时，气体的体积变化太大了，我们不能忽略。

所以伯努利原理不适用流动的气体，只适用于自然流动的水。

我们生活中有很多机械能不守恒的事例。

如：飞机在空中飞行，各种机动车向前运动，它们都需要燃烧油转化成机械能，所以机械能不守恒。

对于机械能不守恒的流体事例，伯努利原理也不适用。

可见伯努利原理不具有普遍性。

再一个伯努利原理的内容是动能加重力势能加压力势能等于常数。

我们也不应认为是机械能守恒，而是“动能加重力势能加压力势能等于常数”不是：流体速度大的地方，流体压强小；流体速度小的地方，流体压强大。

我们考虑这类问题时，要考虑压力势能产生的原因，要从能量的转化全过程来考虑，才能得到正确的结果。

生活中的固体、液体在受到外来的压力挤压时，体积变小，但体积变化的非常地微小，我们把固体、液体看成横截面积不变，长发生变化的长方体时，由W=压力势能E的变化=pV的变化=pSL= FL (S表示面积，L表示变化的距离)可知，即使我们对固体、液体施加一个有限的较大的压力F，由于固体、液体体积V变化非常的微小，在压力F的方向上距离的变化L也是非常的微小，我们对固体、液体做的功W非常的微小，由能量的转化可知，引起固体、液体的压力势能E的变化也是非常小的，在生活中几乎忽略不计。

力做的功转化成其他能量，没转化成压力势能。

反过来，在日常生活中，当固体、液体受热膨胀（压力势能E变小时）对外做功时，由于距离的变化L 非常地微小，所以却产生很大的力F，例如我们铺的铁路钢轨之间如果不留有热胀冷缩的缝隙，在季节温度变化时铁路就会变形或向上隆起；大型的桥梁就会断裂。

由上面我们可以得出：液体、固体的压力势能是物体内能中的全体分子总势能的一部分，一般不考虑物体温度的变化即分子动能的变化。

当我们对液体或固体施加一个压力对其做功时，其体积的变化是非常小的，因此认为其压力势能几乎不变，做的功全部转化成其他的能，没转化成压力势能（内能），因此我们利用力使液体或固体的内能发生变化是不易发生的。

气体的压力势能主要是气体内能中的动能的一部分，忽略了分子之间的势能。

当我们对气体施加一个力，很容易使气体的体积发生变化，因此我们使气体的压力势能（内能）发生变化是很容易的。

可见固体、液体的压力势能与气体的压力势能产生的原因是不同的，使其压力势能（内能）发生改变的难易程度也是不一样的。