奧托格里克做了什麼實驗

如果自然界有哪些神奇之處，我們就少不了來說一說氣體定律，但是氣體世界的混亂與複雜卻超乎想象。

每立方厘米空氣中大約有30000000000000000000（3X10的19次方）個分子，每個分子每秒大約會發生10億次碰撞。

面對這麼複雜的問題，可能誰都有放棄的打算。

那些研究氣體運動的先驅根本不知道自己面對的是什麼，當然不知道也有它的的好處，不然他們可能根本沒有勇氣探索下去。19世紀初，人們還認為原子的概念不科學；直到1905年，克魯克斯在在真空玻璃管的通電實驗中，才找到了原子存在的確切證據。

威廉·克魯克斯

而在1662年，羅伯特·波義耳和他的助手羅伯特·胡克在玻璃器皿，水銀和密閉容器以及恰到好處的無知下，使他們在實驗中發現，如果增大壓強，容器內的空氣體積會隨之縮小。

這就是波義爾定律：氣體的壓強與體積成反比。

羅伯特·波義耳

一個世紀以後，雅克·查理髮現，

氣體的體積與溫度成正比。溫度升高至原來的2倍，氣體體積也會膨脹至原來的兩倍。

複雜的原子運動竟然會遵循這麼簡潔明瞭的規律。

對於如此混亂的氣體世界，這個規律是多麼的神奇啊。就在我們寫下這些字的時候，此時在我們周圍的空氣中，成對的氧原子正在以1500千米/小時的速度不斷撞擊以320千米每小時的速度運動的氮原子，也許還會撞上速度為1600千米/小時的水分子。不同的氣體分子在以不同的速度運動，這裡的混亂與複雜超乎想象。

然而就是這個簡單定律的發現，卻帶給了人們足以推動人類文明的力量。

爆米花的形成和氣壓的日常現象

我們多數人都喜歡的香脆可口的爆米花，玉米粒為什麼會變成蓬鬆的爆米花呢。當然它是與氣體定律有關的，因為玉米粒的特性決定了它很容易爆炸，因為它被堅韌的外殼包裹在緻密的種子裡。而這層堅韌的外殼就好像是一口迷你的壓力鍋。每一粒玉米的內部都有一個胚芽，它可以長成一個新的植物，胚乳為新植物的生長提供生長所需的養分。胚乳主要由澱粉顆粒組成，它的含水量大約是14%。把玉米粒放到熱油中開始加熱時，胚乳內部的水分開始蒸發變成氣體。溫度高的分子運動速度更快，隨著越來越多的水分子以蒸汽的形式在他內部左衝右突，這時種皮內部的氣壓越來越大。氣體分子不斷撞擊彼此和種皮，隨著分子的數量和運動速度的不斷攀升，種皮在內部承受氣體分子的撞擊力也越來越大。

而困在種皮內部的水蒸氣是出不來的，這就限制了它的體積。隨著溫度的升高，內部的澱粉顆粒也變為凝膠。內部分子對種皮的碰撞越來越劇烈，這個局面繼續發展下去，就會變成我們所熟悉的現象——爆炸。就在堅韌的種皮破裂的瞬間，遊戲規則變了，爆炸發生，種皮內部的物質立刻暴露在外部壓強（標準大氣壓）下，這些物質的體積不再受到限制。於是凝膠開始爆炸性膨脹，直至其內部和外部的氣壓相等。緻密的白色凝膠變成了蓬鬆的白色泡沫，整個玉米粒向外翻了過來。轉化過程就此結束。我們得到的爆米花就是來自於這神奇的氣體定律。

就連我們日常的呼吸，也是來自於這神奇的氣體定律。實際上我們呼吸的空氣不是被我們的吸進去的，而是被氣壓壓進去的。

原因就在於氣體的壓強與體積成反比這條定律。

我們在擴張肺部時，肺內的氣壓就變得比外部要小，這時外部的氣壓就會把空氣送進來以達到平衡。

所以我們呼吸的空氣是氣壓送進來的，而不是我們吸進來的。

當我們用吸管喝飲料時也是同樣的道理，就在我們含著飲料杯上的吸管的時候，肺部空間裡的氣體分子和外部大氣的氣體分子，在吸管內部和外部的水面上的碰撞角力就已經在進行了。當我們擴張肺部，肺內的氣體壓強就開始相應的變小，肺內氣體分子對吸管內部水面的碰撞壓力也隨之變小，外部的氣壓就會把吸管內的水面壓上來，直到上升水面的體積讓兩邊氣壓達到平衡才不再上升。所以當我們收縮肺部，或者離開吸管的時候，吸上去的飲料就會自然的落下。因為內外部的氣體壓強又回到了平衡。

大氣壓的力量究竟有多大——馬德堡半球實驗

想知道作用於某件物體的氣體壓強到底有多大，你必須抽掉物體另一面的空氣，形成真空。公元前4世紀，亞里士多德曾宣稱：“自然界厭惡真空。”這似乎是件困難的事。但在1650年前後，奧托·馮·格里克發明了第一臺真空泵，並在斐迪南三世（神聖羅馬帝國皇帝）期間進行了著名的馬德堡半球實驗。

1964年5月8日，在巴伐利亞的國會大廈外。奧托取出了一個直徑50釐米的空心銅球，銅球被切成了兩半，接縫處光滑平整，每個半球外側都有一個環，環上繫著一根繩子，方便人們把兩個半球拉住。他在銅球的接縫處塗上潤滑油，將兩個半球拼到一起，然後用自己發明的真空泵抽出球內的空氣。銅球外面沒有任何固定裝置，可是空氣被抽出去以後，兩個半球被牢牢的結合在了一起，就像被膠水粘起來了一樣。奧托早就發現，真空泵可以幫助人們直觀的看到空氣的力量有多強大。數十億微小的氣體分子一刻不停的撞擊銅球外表面，將兩個球推到一起，但球內卻沒有與之抗衡的推力。那麼要把兩個半球拉開，從外部施加的拉力必須大於空氣的推力。

馬德堡半球實驗

接下來馬兒出場了。兩個半球各套一組馬，分別向兩邊用力拉。兩個半球合起來看上去比籃球稍大的球體，使它連線的壓力全部來自於空氣分子的撞擊，在眾目睽睽之下，30匹馬竟然都無法將它們拉開。艱苦的拔河結束後，奧托開啟閥門讓空氣進入球內，兩個半球自己分開了。毋庸置疑，氣壓是這場比賽的勝利者，它的強大超乎所有人的想象。如果把同樣的這個球垂直懸掛起來，理論上說，它可以承受2000千克的重物。

從古老的蒸汽機到現代的火箭利用的都是氣體分子的撞擊力

蒸汽機的發明，使人類以飛快的速度進入了現代文明。而它的秘密就在於氣體，利用氣體分子的的推力是19世紀早期蒸汽機革命的核心。你只需要讓某個表面兩側的氣體產生壓力差，這樣的推力能頂起廚房裡的鍋蓋，也能用在早期的蒸汽發動機的火車上運送貨物和旅客。兩種現象的基本原理完全相同。現在，蒸汽發動機過時了，但我們仍在利用氣壓差帶來的推力。從技術角度來說，蒸汽發動機屬於“外燃機”，因為爐子和水壺彼此獨立，互不相干。而汽車發動機裡，燃燒發生在圓筒內部，汽油就在活塞旁邊燃燒，產生的高溫氣體直接推動活塞。這類發動機被稱為“內燃機”。開車或者做公交的時候，你要記得，推動你的是氣體分子。

火箭的升空也是來自於氣體分子的推動，現代的火箭燃料多是由高能的液體燃料和助燃劑構成，目的就是產生大量高壓熱氣。當火箭的高能燃料被點燃，高速運動的氣體分子猛烈的撞擊火箭頂端，推動它向前飛行，但火箭的尾端不存在等量的推力，廢氣只是透過噴嘴直接排放的大氣中，推力的失衡使火箭急速的向前飛行。這就好比是把氣體劇烈爆炸的力量可控的向一個方向上集中，在有留有一個出口的條件下又不會把自己炸碎。只要能在足夠短的時間內製造出足夠的高壓熱氣，你就可以利用數以億計的分子積累起來的強大撞擊力。“聯盟號”火箭第一級的飛行氣壓大約是標準大氣壓的60倍。所以他產生的推力也是普通空氣推力的60倍。不過這兩種推力本質上完全相同，都是由分子撞擊物體而產生的。只要分子夠多，速度夠快，撞擊頻率夠高，這樣的推力就能把人類送上月球。所以永遠都不要低估那些小的看不見的東西！

這種自然原理是多麼神奇，直到我們循著這些原理髮明瞭蒸汽機，內燃機，火箭。這些給人類帶來了無比巨大的改變的發明。

卻不曾想這些偉大發明竟是來源於這小小氣體分子的撞擊力。