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声速理论是否存在问题？------ Youngler 在 Resnick 的《物理学》 20-3 中有以下文字：在上述分析中，我们没有考虑物质的分子结构，而把流体当作连续的介质来处理，可是，在气体中分子之间的距离比分子的直径大得多和分子做无规则运动。声波在气体中通过是所产生的振动要迭加在分子的不规则的热运动之上。声波给予一个分子的冲量被传递给下一个分子，这一过程只能在第一个分子通过这两个分子之间的真空空间并于第二个分子碰撞之后才能实现，根据这个简短的讨论，试问气体中的声波速度是否可以超过气体中的分子的平均速度？看来，人们早已注意到气体中的声波速度会受到气体分子无规则运动速度的限制。 现有理想气体声速理论算式：u = sqrt ( ( 5 / 9 ) v )，其中，u 为理想气体的声速，v 为理想气体分子运动的均方根速度。 这一理想气体声速算式 u = sqrt ( ( 5 / 9 ) v )，是否存在问题？ 从实验数据来分析，由于气体的分子大小因素会影响着现实气体的声速，使实际声速之比之于理论数值应该有较大的数值，He 气体在标准环境下的声速是 971 达，而理论数值是 977 达，如果经典理论的预测是正确的，He 气体的实际声速数据应该大于 977 达，然而事实并非如此。由此可以看出把声波的微观过程处理成绝热过程用经典波动理论来处理并不能完全令人满意。Resnick 先生可能也是不满足于经典声速理论而企图寻找理想气体声速与其分子均方根速度之间的正确关系式的学者。他曾说，即使我们并不指望声速恰好等于分子不规则运动的均方根速度，但是，声波的能量却是以均方根速度由一个分子传给邻近一个分子的。Resnick 先生的话说的是一点没有错的，遗憾的是他可能不知道如何因于分子的不规则运动分子传递能量在声波传播方向上的效果。 根据物理手册提供的 He、Ne、Ar 等单原子分子气体的声速数据，通过修正原子大小因素对于声速的贡献，我们发现单原子分子理想气体中的声速 u 与理想气体分子无规则运动速度的关系， u = sqrt ( ( 1 / 2 ) v ) 。 更为合理。并由此推得单原子分子理想气体声热方程， 热量 = 质量×声速 ^ 2 , Q = mu 2。 |