人类最早是从何得知地球外界是没有空气呢?
如果这个问题都没有办法猜出来的话,那么我们就太低估科学家的研究成果了。其实我们普通人也可以感觉到,当我们登上高处的时候,空气就会越来越稀薄,氧气的含量也会随之降低。在世界最高峰珠穆朗玛峰,氧气的含量已经低到了几乎不能被常人呼吸的程度,这个时候一般都需要氧气瓶来进行补养,同时气压非常的低。我相信很多去过西藏旅游的同学都知道,如果猛然间坐飞机到达拉萨的话,那么将会有强烈的高原反应,因为平常我们都是在平原生活,一旦到达四五千米的高空,气压的变化对于我们来说就形成了致命的因素。
只不过在最开始的时候,人类并不能够形容气压这种看不见摸不着的东西。但是关于企业的讨论却从来没有停止过,早在公元前350年的时候,亚里士多德就对于真空有过探讨,他认为自然界是讨厌真空的。从这里就可以看出,当时的科学家就已经明白,我们平常所生存的空间气压是稳定的,但也存在的特例。但是在当时因为研究还没有涉及到分子领域,所以并不能够直接证明。
一直到了17世纪的时候,空气中的氧气才逐渐被证实,后来又发明了气压计。更是在17世纪中叶的时候发明了世界上第一台真空泵。从这里开始,人类对于大气压的掌握就已经开始趋向于成熟,了解到了真空对于我们生活的重要性。在结合我们生活中碰到的实际情况,这个发明真空泵的科学家奥托冯格里克得出了一个结论,那就是在远离地球的某一处肯定存在着真空环境。当然,在我们进入太空之后也发现了,太空当中虽然几乎没有空气,但是也有一定的物质,所以并不算严格意义上的真空。但是外太空没有空气,这句话确实在很早之前就得到了证实。
真空泵的发明比开水瓶要早得多。
一、第一台真空泵的发明
托里拆利用汞柱倒置的方法使玻璃管的上方出现真空.人们称之为托里拆利真空.可以说这是最早获得真空的方法。他的发现传开后,人们又做了许多实验来研究这个现象。例如,1647年有一位法国物理学家叫罗伯维尔(G. Robenval ),做了一个有趣的实验,他从鲤鱼肚里取出鱼缥,尽可能将里面空气排尽,再把开口扎紧,放在托里拆利真空区内。结果鱼缥膨胀起来。这个实验令人信服地说明了,大气压下留在鱼缥中的残余空气,当外部气压减小到零时,会膨胀为很大的体积。不久有人著书评述了这个实验,认为空气具有弹性,就好像海绵或羊毛一样,受到压力会收缩,压力减轻会膨胀。
德国人格里克在事先不知道托里拆利实验的情况下也发现了真空:他的经历饶有兴趣。有一天,他让家人用唧筒抽酒桶中的水,在抽的过程中唧筒脱落了.他们用布条重新绑好,由于填塞过严,桶口封住了,结果把捅内的空气也抽掉了,只听得里面一片沸腾的噪音:格里克从这件事得到启发,就用铜球壳代替木捅.让家人再用唧筒抽、家人越抽越费劲.最后只听澎的一声,铜球塌瘪了。
1654年,格里克为了向公众演示抽气实验.他安排了两个引人注目的表演。由于他那时是德国马德堡市的市长,所以这两个实验也叫马德堡半球实验。实验之一,两个严密对接的半球形金属壳.中间抽空后.用16匹马也没有将两金属壳拉开。实验之二,一对抽空的半球吊在支架上,可以承受非常大的负荷、格里克没有对吸力的起因提供解释,他的贡献。主要是发明了真空泵。马德堡市长的新奇实验轰动了德国,当消息传到英吉利海峡对岸时.引起一番波澜,又有人做了许多新奇实验。其中一位就是大名鼎鼎的玻意耳。
二、开水瓶的发明
① 1892年,英国物理学家杜瓦在他的实验室做实验。实验中,他急需一种能使气体与外界隔绝并保持温度的容器。
②于是,他请玻璃技师为他吹了一个双层玻璃容器。
③可是,这个玻璃容器仍然不能达到他的实验要求,怎么办呢?
④经过反复实验,他发现在容器的内部涂上银,然后抽掉两层玻璃之间的空气,可使容器内的液体在一定时间内保温。
⑤人们把这种容器称为“杜瓦瓶”。
⑥“杜瓦瓶”后来慢慢进入家庭,用于热水保温。
这个问题的想法是对某些尝试的误解,因为我们第一感觉就是真空貌似有一种神奇“吸力”,如果从地球上引出一条管道,太空的真空就会把大气吸出去。这只是我们的生活中的一个错觉,就像我们用嘴吸饮料瓶一样,感觉有某种力量把嘴往瓶子里吸!下面就分析下这个问题。
先说下大气压的问题,它是咋来的
古时候人们通常认为空气没有重量,因为我们生活在地球上从来没有感觉到空气对我们施加任何力量。亚里士多德也曾说过,大自然厌恶真空!因为我们只要把水管里的空气抽出,水就会补充近来,所以当时人们认为大自然不可能存在真空。
但是后来出现的原子论否定了这一观点。意大利物理学家托里拆利发明了第一个气压计,发现大气真的有重量,它认为有某种神秘的力量将空气拉向地面,托里拆利是伽利略的学生,伽利略之前也研究过这个问题。
1654年,奥托·冯·格里克发明了第一台真空泵,并且进行了我们熟知的科学实验,两组马对拉都无法抗衡大气压力,这就是马德堡半球实验。至此人们确信大气压确实存在,但不明原因。
实际上,空气这东西真的很重。海平面上一立方米的空气质量约为1.2千克。因此,举例来说,满屋子的空气可能轻而易举地重达100公斤以上,而一个更大的房间则包含更多的空气,可能重达数吨。当我们处在大气层底部时,我们的身体会经历周围大气压的推动,相当于每平方米超过了10吨,但是我们根本注意不到这种力的存在,因为我们进化在大气中,身体内部也承受着类似的压力。而我们不是在水中进化的,所以我们的身体就能感觉到来自水的压力。虽然人们现在知道了大气压力的存在,但不明原理也是白搭。
对大气压来源的解释
1684年牛顿爵士以一本《自然哲学的数学原理》为人们拨开云雾见天日,发现了万有引力的存在,这是一个真实存在的基本力,它作用于地球上的每一件事物,这是地球能够形成以及表面上的所有东西能稳定的附着在地球表面的力。它不仅解释了当时人们生活中发现的所有无法解释的现象,而且这个定律同样也适用我们地球以外的宇宙空间,至此人类的科学进入了可计算、可预测的时代,是人类历史的关键时刻。当然它也顺带解决了大气压来源的问题。
你看,地球从其核心到外大气层遵循这样的规律,最重的元素会发生沉降,而最轻的元素会上升,地核拖着地幔,地幔支撑着地壳,地壳上有海洋,海洋上有空气。这一切的一切都是引力在起作用。引力为一切提供重量,就像为你提供体重一样。
如果我们在大气中上升得越高,上方的空气就越少,因此我们周围的气压就越低。如果继续上升到100公里左右的高度,就会发现压力一直会下降到零。上方和周围的空气微不足道,基本处于真空状态。
真空并没有所谓的“吸力”,而我们感受到的力来自于大气压的推力
现在要说的问题是,我们用嘴吸塑料瓶感受到的力来自哪里。其实没有“吸力”这么一说,我们感受到的力来自于大气压力产生的推力,而这个推力正是来自万有引力,真空并不会产生任何力。
如果我们在大气中上升得越高,这个压力就越低,当然推力就越低,等压力降到零,就没有所谓的推力了。因此没有任何力会把大气往外推。
现在再来考虑一下家用吸尘器:
我们所说的吸力意思是“将灰尘吸入真空吸尘器的力”,这实际上是大气压,将灰尘推入了真空吸尘器。可能我们平常都会认为吸尘器会将灰尘吸进尘盒,它的真正原理是使用电动机将空气从软管中抽出,而外面的空气位于大气层顶部,由位于其上方的大约100公里的空气重量提供压力。因此,当马达从软管中抽出空气时,在大气压的推动下会有更多的空气涌入以替换压力降低的区域。
总结
所以,这个问题就是不会发生任何事。如果您将管道从地面延伸到太空,将不会发生任何事情。管道内部的100公里深的空气柱就座在那个位置,受万有引力的影响,跟管道周围的所有空气一样。没有神奇的“真空力”可拉动管道的末端,也没有压力将空气推向管道,因为空气压力来自空气的重量,并随高度的上升而下降。敞开的管道末端的压力将为零。
当时,马德堡半球实验的现场,实验过程是这样的:
格里克(或翻译成:居里克)和助手当众把两个黄铜的半球壳中间垫上橡皮圈;其中一个半球上带有连接管,用以连接真空泵,有阀门可将其关闭;他们把两个半球壳灌满水后合在一起;然后把水全部抽出,使球内形成真空;最后,把气嘴上的龙头拧紧封闭.这时,周围的大气把两个半球紧紧地压在一起。
先用水赶出空气,再将水抽空,就得到真空了。当时用什么抽气(抽水)设备,记载如下:这项实验中使用的真空泵是居里克受托里拆利制造的人工真空启发而设计的世界上第一个真空泵,而该真空泵的形式是活塞式真空泵。
该活塞式真空泵又被很多资料称为往复式真空泵(两个名称的区别是什么,暂且未知)。下图是维-基共享的图片,半球和旁边的一个带架子的物品放置在一起,那个(猜测)可能是真空泵。由于未到博物馆亲自看过,只能猜测原理,由杠杆控制活塞由原始位置从气缸向外拉出,抽气,然后活塞回到原始位置,此时半球上的单向阀关闭,再拉出活塞,继续抽气。
原理图见下(看左侧部分,就当右侧没有曲柄和连杆结构)