引入

为什么给轮胎打气时,压得越狠温度越高?

为什么高压钢瓶里的气体不能用 精确计算?

为什么夏天车胎气压会自己升高?

气体的压强、体积、温度之间不是独立的。大量实验总结出的经验规律,最后被统一成一个简洁的方程。但“理想”二字说明它有前提,超出范围就要修正。

正文

定义

理想气体状态方程描述理想气体(分子本身无体积、分子间无相互作用)的压强 、体积 、物质的量 和温度 之间的关系: 其中 是普适气体常量。

经验定律的统一

定律固定量关系
玻意耳定律、
查理定律、
盖-吕萨克定律、
阿伏伽德罗定律、

四条定律各管一种情形,状态方程把它们合并成一个式子,任意两个量变化时都能直接算。

微观解释

从分子动理论出发,压强来自分子对器壁的碰撞:

其中 是分子数密度, 是单个分子质量。

结合温度与平均动能的关系:

代入得:

再由 、、,得到 。

这个推导说明:温度的本质是分子平均平动动能,压强是这种运动的宏观表现。

理想气体的内能

理想气体分子间无相互作用,内能只包含动能,因而只与温度有关:

气体类型自由度 内能
单原子(He、Ne)3
双原子(、)5
多原子()6

这就是能量按自由度均分定理。关键推论:理想气体的内能与体积、压强无关,只与温度有关。这个结论在等温过程 中被直接使用。

真实气体的修正

真实气体分子有体积、有相互作用,偏离理想方程。范德瓦耳斯方程是最常见的修正:

参数修正对象物理含义
压强分子间引力使实际压强小于理想值
体积分子自身体积使可压缩空间减小
  • 补偿分子间引力造成的“内聚压”
  • 扣除分子本身占据的体积

在化学中,范德瓦耳斯参数与分子间作用力的大小直接相关。 越大的气体越容易被液化。

什么时候不能用理想方程

条件偏离程度原因
低压、高温很小分子间距大,作用力可忽略
高压明显分子体积不可忽略
低温明显分子间引力显著
接近液化点很大分子聚集,理想模型失效

常温常压下的多数气体可以用理想方程近似,误差在百分之几以内。高压钢瓶、低温实验则必须修正。

引出

理想气体方程中的物质的量 连接了宏观量与微观粒子数()。物质的量这个概念是化学和物理之间的重要桥梁。

真实气体的行为在高压低温下偏离更明显,这与分子间作用力和分子体积有关。

为什么临界温度以上的气体无论加多大压强都不能液化?