[物理]气体的性质

气体的性质
知识要点：
一、            基础知识
1、气体的状态：气体状态，指的是某一定量的气体作为一个热力学系统在不受外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态，这种状态通常称为热力学平衡态，简称平衡态。所说的不受外界影响是指系统和外界没有做功和热传递的相互作用，这种热力学平衡，是一种动态平衡，系统的性质不随时间变化，但在微观上分子仍永不住息地做热运动，而分子热运动的平均效果不变。
2、气体的状态参量：
（1）气体的体积（V）
 ① 由于气体分子间距离较大，相互作用力很小，气体向各个方向做直线运动直到与其它分子碰撞或与器壁碰撞才改变运动方向，所以它能充满所能达到的空间，因此气体的体积是指气体所充满的容器的容积。（注意：气体的体积并不是所有气体分子的体积之和）
 ② 体积的单位：米³（m³）  分米³（dm³）  厘米³（cm³）  升（l）毫升（ml）
（2）气体的温度（T）
 ① 意义：宏观上表示物体的冷热程度，微观上标志物体分子热运动的激烈程度，是气体分子的平均动能大小的标志。
 ② 温度的单位：国际单位制中，温度以热力学温度开尔文（K）为单位。常用单位为摄氏温度。摄氏度（℃）为单位。二者的关系：T=t+273
（3）气体的压强（P）
  ① 意义：气体对器壁单位面积上的压力。
  ② 产生：由于气体内大量分子做无规则运动过程中，对容器壁频繁撞击的结果。
  ③单位：国际单位：帕期卡（Pa）
          常用单位：标准大气压（atm），毫米汞柱（mmHg）
          换算关系：1atm=760mmHg=1.013×10⁵Pa
                    1mmHg=133.3Pa
3、气体的状态变化：一定质量的气体处于一定的平衡状态时，有一组确定的状态参量值。当气体的状态发生变化时，一般说来，三个参量都会发生变化，但在一定条件下，可以有一个参量保持不变，另外两个参量同时改变。只有一个参量发生变化的状态变化过程是不存在的。
4、气体的三个实验定律
（1）等温变化过程——玻意耳定律
 ① 内容：一定质量的气体，在温度不变的情况下，它的压强跟体积成反比。
 ② 表达式： 或
 ③ 图象：在直角坐标系中，用横轴表示体积V，纵轴表示压强P。一定质量的气体做等温变化时，压强与体积的关系图线在P-V图上是一条双曲线。若气体第一次做等温变化时温度是T₁，第地次做等温变化时温度是T₂，从图上可以看出体积相等时，温度高的对应对压强大的，故T₂>T₁。




 
温度越高，等温线离原点越远。如果采用P- 坐标轴，不同温度下的等温线是过原点的斜率不同的直线。（如图2）
④等温变化过程是吸放热过程
 气体分子间距离约为10^-9m，分子间相互作用力极小，分子间势能趋于零，可以为分子的内能仅由分子的动能确定。温度不变，气体的内能不变，即ΔE=0。气体对外做功时，据热力学第一定律可知，ΔE=0，W<0,Q>0，气体从外界吸热，气体等温压缩时，Q<0，气体放热。所以，等温过程是个吸热或放热的过程。
⑤玻意耳定律的微观解释
 一定质量的气体，分子总数不变。在等温变化过程中，气体分子的平均支能不变，气体分子碰撞器壁的平均冲量不变。气体体积增大几倍，气体单位体积内分子总数减小为原来的 ，单位时间内碰撞单位面积上的分子总数也减小为原来的 ，当压强减小时，结果相反。所以，对于一定质量的气体，温度不变时，压强和体积成反比。
⑥玻意耳定律的适用条件
 玻意耳定律是用真实气体通过实验得出的规律。因此这个规律只能在气体压强不太大，温度不太低的条件下适用。
（2）气体的等容变化——查理定律
① 内容A：一定质量的气体，在体积不变的情况下，温度每升高（或降低）1℃，它的压强的增加（或减少）量等于在0℃时压强的 。
B：一定质量的气体，在体积不变的情况下，它的压强跟热力学温度成正比。
② 表达式：A： 或
P₀-0℃时一定质量的压强（不是大气压）
P_t-t℃时一定质量的压强（不是大气压）
B：
③ 图象：
   A：P-t图，以直角坐标系的横轴表示气体的摄氏温度t，纵轴表示气体的压强P，据查理定律表达式 可知一定质量气体在体积不变情况下，P-t图上等容图线是一条斜直线。与纵轴交点坐标表示0℃时压强。等容线延长线通过横坐标-273℃点。等容线的斜率与体积有关，V大，斜率小。
   B：P-T图，在直角坐标系中，用横轴表示气体的热力学温度，纵轴表示气体的压强，P-T图中的等容线是一条延长线过原点的倾斜直线。斜率与体积有关，体积越大，斜率越小。（由于气体温度降低到一定程度时，已不再遵守气体查理定律，甚至气体已液化，所以用一段虚线表示。）




 
④查理定律的微观解释
 一定质量的气体，分子总数不变，在等容变化中，单位体积内分子数不变。在气体温度升高时，气体分子的平均动能增大，碰撞器壁的平均冲量增大，气体的压强随温度升高而增大。反之，温度降低时，气体的压强减小。
⑤查理定律适用条件
 查理定理在气体的温度不太低，压强不太大的条件下适用。
（3）等压变化过程——盖·吕萨克定律
 ① 内容A：一定质量的气体，在压强不变的条件下，温度每升高（或降低）1℃，它的体积的增加（或减少）量等于0℃时体积的 。
         B：一定质量的气体，在压强不变的条件下，它的体积跟热力学温度成正比。
 ② 表达式：A：
            B：
 ③ 图象：在直角坐标系中，横轴分别表示摄氏温标，热力学温标；纵轴表示气体的体积，一定质量气体的等压图线分别是图5，图6，如果进行两次等压变化，由图可看出温度相同时，P₂对应体积大于P₁对应体积，所以P₂<P₁





 
 ④ 盖·吕萨克定律的微观解释
    一定质量的气体，气体的分子总数不变，当它温度升高时，分子的平均动能增大，气体的压强要增大。这时使气体的体积适当增大，使单位体积内分子数减小，在单位时间内撞击单位面积器壁的分子数减小，气体压强就可以保持不变。
 ⑤ 盖·吕萨克定律的适应范围：
    压强不太大，温度不太低的条件下适用。
 5、理想气体的状态方程：
（1）理想气体：能够严格遵守气体实验定律的气体，称为理想气体。理想气体是一种理想化模型。实际中的气体在压强不太大，温度不太低的情况下，均可视为理想气体。
（2）理想气体的状态方程：
    一定质量的理想气体的状态发生变化时，它的压强和体积的乘积与热力学温度的比值保持不变。即此值为—恒量。
6、克拉珀龙方程
  由气态方程可知 恒量，对于1摩尔理想气体取T=273K时，可计算此恒量R=8.31J/mol，R叫做普适气体恒量。对于任意质量M的理想气体，其摩尔数为n= （M-质量，u-摩尔质量）因而有 R，此方程叫克拉珀龙方程。

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