理想气体状态方程

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理想气体状态方程 定义

 

理想气体状态方程(也称理想气体定律克拉佩龙方程)是描述理想气体在处于平衡态时,压强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程。它建立在波义耳定律查理定律盖-吕萨克定律经验定律上。

其方程为pV = nRT。这个方程有4个变量:p是指理想气体的压力,V为理想气体的体积,n表示气体物质的量,而T则表示理想气体的热力学温度;还有一个常量:R为理想气体常数。可以看出,此方程的变量很多。因此此方程以其变量多、适用范围广而著称。

理想气体状态方程 正文

 
  描写理想气体状态变化规律的方程。对于一定质量的气体,可以用压强p和体积V来描述它的平衡态,而温度TpV的函数,F(T,p,V)=0。这个关系式叫做气体的状态方程,它的具体形式需由实验确定。
  玻意耳定律  又称玻意耳—马略特定律,是英国化学家R.玻意耳在1662年和法国物理学家E.马略特在1679年分别独立发现的。它的内容是:一定质量的气体,当温度保持不变时,压强和体积成反比且乘积是一个常数

p1V1=p2V2=p3V3=…或pV=C

常数C 在不同温度时有不同数值。
  大量实验结果表明,该定律对理想气体完全正确。对于各种实际气体,只要它的压强不太高,温度不太低,都近似地遵从此定律;气体的压强越低,它遵从玻意耳定律的精确度就越高。
  盖-吕萨克定律  一定质量的气体,当体积不变时,它的压强随温度作线性变化:

p=p0(1+αt),p0

是0°C时的气体压强,pt°C时的气体压强,α是在气体体积不变时的压强系数。对于理想气体,α的数值为一普适常数,其值为1/273.15,于是

理想气体状态方程

若令T=t+273.15,则上式简化为

pt=p0αT,T

即为热力学温标,其单位是开尔文 (K);t=0时,T0=273.15K。
  理想气体状态方程 根据玻意耳定律、阿伏伽德罗定律和理想气体温标的定义,可以确定玻意耳定律中常数C与温度的关系,并可导出

理想气体状态方程

式中p0V0T0为标准状况下一摩尔理想气体的压强、体积、温度;v为摩尔数。因此,理想气体状态方程的数值对各种气体都一样。该数值叫摩尔气体常数并用r表示:

理想气体状态方程

于是理想气体状态方程式中M代表气体的质量,μ 是气体的分子量。这就是理想气体状态方程。
  在压强为几个大气压以下时,各种实际气体一般都近似地遵从理想气体状态方程。压强越低,符合的程度越高。在压强趋于零的极限情况下,一切气体都严格地遵从它。根据理想气体模型,从气体分子运动论出发,也可以推导出该物态方程。
  摩尔气体常数R  R的数值可由一摩尔理想气体在水的三相点 (273.16K)及一个大气压下的体积推出。也可以由一摩尔理想气体在冰点 (273.15K)及一个大气压下的体积V0推出。用V0来推算的原因是 V0可根据实验结果求得比较准确的数值。由

V0=22.41383×10-3m3/mol

可算得

r=8.31441±0.00026J/(mol·K)。

理想气体状态方程 应用

 

 一定量处于平衡态的气体,其状态由p、V和T刻划,表达这几个量之间的关系的方程称之为气体的状态方程,不同的气体有不同的状态方程。但真实气体的方程通常十分复杂,而理想气体的状态方程具有非常简单的形式。

虽然完全理想的气体并不可能存在,但许多实际气体,特别是那些不容易液化、凝华的气体(如氦、氢气、氧气、氮气等,由于氦气不但体积小、互相之间作用力小、也是所有气体中最难液化的,因此它是所有气体中最接近理想气体的气体。)在常温常压下的性质已经十分接近于理想气体

此外,有时只需要粗略估算一些数据,使用这个方程会使计算变得方便很多。

理想气体状态方程 计算气体所含物质的量

 

从数学上说,当一个方程中只含有1个未知量时,就可以计算出这个未知量。因此,在压强、体积、温度和所含物质的量这4个量中,只要知道其中的3个量即可算出第四个量。这个方程根据需要计算的目标不同,可以转换为下面4个等效的公式:

求压力: p=nRT/v
求体积: v=nRT/p
求所含物质的量:n=pv/RT
求温度:T=pv/nR 

理想气体状态方程 化学平衡问题

 

根据理想气体状态方程可以用于计算气体反应的化学平衡问题。

根据理想气体状态方程可以得到如下推论:

温度、体积恒定时,气体压强之比与所含物质的量的比相同,即可得Ρ平/P始=n平/n始
温度、压力恒定时,气体体积比与气体所含物质量的比相同,即V平/V始=n平/n始
通过结合化学反应的方程,很容易得到化学反应达到平衡状态后制定物质的转化率ξ。

理想气体状态方程 注释

 

^ 几个参数为:
p为理想气体的压力,单位通常为atm或kPa;
V为理想气体的体积,单位为L或称dm3;
n为理想气体中气体物质的量,单位为mol;
R为理想气体常数或称摩尔气体常数、普适气体恒量,更多值参见理想气体常数
T为理想气体的温度,单位为K
^ 在所有气体当中,构成粒子中最小的,氢气仅次之。
^ 氦还是唯一不能在标准大气压下固化的物质。
^ 约合739mm
^ atm为标准大气压,1atm=101.3 kPa
^ 当时查理认为是膨胀1/267,1847年法国化学家雷诺将其修正为1/273.15
^ 其实查理早就发现压力与温度的关系,只是当时未发表,也未被人注意。直到盖-吕萨克从新提出后,才受到重视。早年都称“查理定律”,但为表彰盖-吕萨克的贡献而称为“查理-盖吕萨克定律”。
^ 如二氧化碳在40℃、52 MPa时,Z≈1

附图

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