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气体

气体是四种基本物质状态之一(其他三种分别为固体液体等离子体)。气体可以由单个原子(如稀有气体)、一种元素组成的单质分子(如氧气)、多种元素组成化合物分子(如二氧化碳)等组成。气体混合物可以包括多种气体物质,比如空气

中文名 :气体

外文名 :gases

领 域: 工程

元素气体

在标准状况下为气体分子的化学元素有氢(H2)、氮(N2)、氧(O2)和两种卤素,分别是氟(F2)和氯(Cl2)。另外还有单原子的稀有气体:氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。

物理性质

因为大多数气体很难直接观察,他们常被通过其四个物理属性或宏观性质来描述压强体积、粒子数目(化学家用摩尔来表示)和温度。这四个属性被许多科学家(如罗伯特·波义耳雅克·查理约翰·道尔顿约瑟夫·路易·盖-吕萨克阿莫迪欧·阿伏伽德罗等)通过不同的气体和不同的装置来反复观察过。他们的仔细研究最终形成了描述这些属性的数学关系的理想气体定律。

气体与液体和固体的显著区别就是气体粒子之间间隔很大。这种间隔使得人眼很难察觉到无色气体。气体与液体一样是流体:它可以流动,可变形。与液体不同的是气体可以被压缩。假如没有限制(容器或力场)的话,气体可以扩散,其体积不受限制,没有固定。气态物质的原子或分子相互之间可以自由运动。

气体的特性介于液体和等离子体之间,气体的温度不会超过等离子体,气体的温度下限为简并态夸克气体,现在也越来越受到重视。高密度的原子气体冷却到非常低的低温,可以依其统计特性分为玻色气体和费米气体。

理想气体方程

理想气体为假想的气体。其特性为:气体分子间无作用力;气体分子本身不占有体积;气体分子与容器器壁间发生完全弹性碰撞。真实气体在愈低压、愈高温的状态,性质愈接近理想气体。最接近理想气体的气体为氦气[1]

理想气体方程表达式:   pV=nRT

遵从理想气体状态方程是理想气体的基本特征。理想气体状态方程里有四个变量--气体的压力p、气体的体积V、气体的物质的量n以及温度T和一个常量(R为普适气体恒量,也叫通用气体常数),只要其中三个变量确定,理想气体就处于一个状态,因而该方程叫做理想气体状态方程。温度T和物质的量n的单位是固定不变的,分别为K和mol,而气体的压力p和体积V的单位却有多种取法,这时,状态方程中的常量R的取值(包括单位)也就跟着改变,在进行运算时,千万要注意正确取用R值:

宏观属性

当观察气体时,一般会指明参考物或长度尺度。较大的长度尺度对应着气体的宏观属性或是总体看法。其范围(可指体积)至少要能容纳大量的气体粒子。对如此采样尺寸的气体的统计分析会得到样品内所有气体粒子的平均属性(例如速度,温度,压强等)。相反,一个较小的参考长度尺度对应着气体的微观属性或是粒子层面的看法。

1、压强

在公式中常用"p"或"P"来表示气体压力,其单位则常为国际单位制中的帕斯卡(Pa)。

在描述一个有容器的气体时,压力(或是绝对压力)是在气体作用在容器表面上,单位面积所施的力,在此空间内,可以视为气体粒子会直线运动,直到和其他分子或是容器壁碰撞为止。若和容器壁碰撞,单位时间内气体粒子动量的变化就是气体作用在容器上的力,在碰撞过程中,只有垂直容器壁的气体粒子速度分量会变化,若气体粒子是沿着容器壁运动,其动量不会变化。因此容器壁受到的力就是和容器壁碰撞的气体粒子其动量变化的平均值。

压力是所有碰撞容器壁的气体粒子,其产生的力除以容器壁总面积后的值。

2、温度

在公式中常用"T"来表示气体温度,其单位则常为国际单位制中的开尔文(K)。

气体粒子的速度和其绝对温度成正比。在右边的影片中,当气球放进液态氮中时,因为温度降低,气体粒子速度变慢,气球体积也随之缩小。气体系统的温度和其中粒子(原子或分子)的运动有关。

在统计力学中,温度可以表示储存在粒子中的平均动能。储存能量的方式和粒子的自由度有关。借由气体粒子碰撞,粒子产生平移、旋转或是振动的运动,其动能也随之提高。相反的,固体中的分子因为在晶格中,无法有平移或旋转的运动,只能以振动的方式提高温度。加热的气体,因为持续和容器或其他气体粒子碰撞,其速度分布范围较大,可以用麦克斯韦-玻尔兹曼分布描述,此时会假设气体粒子近似为接近热力学平衡状态下的理想气体。

3、比容

在公式中常用"v"来表示气体比容,其单位则常为国际单位制中的立方米每千克(m/kg)。表示气体体积常用"V",其单位常为立方米(m)。

在描述热力学性质时,会将性质区分内含及外延性质。和气体的量(体积或是质量)有关的量称为外延性质,和气体的量(体积或是质量)无关的量称为内含性质。比容是内含性质,是热平衡时,单位质量气体的体积。气体的体积和气体量有关,因此是外延性质。

固态和液体的比容会随压力温度而有轻微的变化,但压力或温度改变时,气体的比容会有显著的变化,温度相同的气体,当压力减半时,其比容会加倍,因此气体具有压缩性。

4、密度

在公式中常用ρ来表示气体密度,其单位则常为国际单位制中的千克每立方米(kg/m3),为比容的倒数。

由于气体分子常会装在容器中移动,其质量一般会用密度来表示。密度是单位体积下的质量,也是比容的倒数。气体密度变化的范围很大.因为当受到压力或体积的限制时,气体分子之间可以靠得更近。密度的变化即为可压缩性,气体的密度和压力及温度都是状态变数,在过程中的变化会依照热力学的定律。针对静态气体而言,气体的密度在整个容器中是相同的。密度是一标量,若是固定质量气体,密度和容器的体积成反比。

微观属性

1、分子运动论

分子运动论通过考虑气体颗粒的成分和运动来对气体的宏观属性提供一个内在的视角。

2、布朗运动

气体粒子的随机运动,一开始上方和下方是不同的气体,但最后可以看出气体的扩散。

布朗运动是描述流体中粒子随机运动的数学模型。右图动画中粉红色和绿色的粒子说明气体运动的方式。

气体实验定律

五个气体实验定律分别是1662年R·玻意耳、 1785年J·A·C·查理、 1802年盖-吕萨克、 1811年A·阿伏加德罗、 1802年J·道尔顿提出的。[2]

1、玻意耳定律

A、一定质量的某种气体,在温度不变的情况下,压强体积成反比。

B、公式:pv=C或p1v1=p2v2

C、条件:一定质量的气体在P-V图上的等温线是一条双曲线

2、查理定律

一定质量的气体,当体积保持不变时,它的压力p随温度t线性地变化,即p=p0(1+apt)式中p0,p分别是0℃和t℃时气体的压强,ap 是体积不变的气体的压力温度系数。实验测定,各种气体的ap≈1/273°。

实验表明,对空气来说,在室温和大气压下,以上三条定律近似正确,温度越高,压力越低,准确度越高 ;反之,温度越低,压力越高,偏离越大。(以空气为例,在0℃,若压强为1大气压时体积为1升,即pV等于1大气压·升,则当压力增为500和1000大气压时,pV乘积增为1.34和1.99大气压·升,有明显差别。)另外,同种气体的av、ap都随温度变化,且稍有差别;不同气体的av、ap也略有不同。温度越高,压力越低,这些差别就小,常温下在压力趋于零的极限情形,对于一切气体,av=ap=1/273.15°。

3、吕萨克定律

一定质量的气体,当压强保持不变时,它的体积V随温度t线性地变化,即V=V0(1+avt)式中V0,V分别是0℃和t℃时气体的体积;av是压力不变时气体的体膨胀系数。实验测定,各种气体的av≈1/273°。

4、阿伏加德罗

在相同的温度压力下,1摩尔任何气体都占有同样的体积。在T0=273.15K和p0=1大气压的标准状态下,1摩尔任何气体所占体积为V0=22.41410×10-3米3/摩尔(m3·mol-1)。它也可表述为:在相同的温度和压力下,相同体积的任何气体的分子数(或摩尔数)相等。

在标准状态下,单位体积气体的分子数即J.洛喜密脱常量为n0=2.686773×1025m-3,因此,1摩尔气体所含分子数为NA=6.0221367×10^23 mol-1称为阿伏伽德罗常量。根据摩尔的定义,组成物质系统的基本单元可以是原子,分子,也可以是离子电子,其他粒子或这些粒子的特定组合。因此,阿伏伽德罗定律也可推广为,1摩尔任何物质所包含的基本单元数都等于阿伏伽德罗常量。

5、道尔顿分压

混合气体的压力等于各成分的分压力之和。某一成分的分压力是指该成分单独存在时(即在与混合气体的温度体积相同,且与混合气体中所含该成分的摩尔数相等的条件下,以化学纯状态存在时)的压力。

外部連結

參考來源

  1. 理想气体方程,高中物理网
  2. 气体试验定律,道客巴巴网