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📜  气体分子的行为——动力学理论、波义耳定律、查尔斯定律

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:37.620000             🧑  作者: Mango

气体分子的行为——动力学理论、波义耳定律、查尔斯定律

气体动力学理论是一个简单的、具有历史意义的经典气体热力学行为模型，它为许多基本的热力学概念奠定了基础。该模型将气体描述为大量相同的亚微观粒子（原子或分子）以随机、连续的运动方式运动。它们的大小被认为远小于典型的粒子距离。粒子相互碰撞，并与容器的围墙发生随机弹性碰撞。

该模型的基本形式描述了一种理想气体并忽略了所有额外的粒子相互作用。气体的宏观性质，如体积、压力、温度和传输性质，如粘度、热导率和质量扩散率，可以用气体的动力学理论来解释。模型中还考虑了布朗运动和其他类似现象。

什么是气体？

物质的四种基本状态之一是气体（其他是固体、液体和等离子体）。纯气体可以由单个原子组成，例如氖等稀有气体、元素分子（例如氧气）或化合物分子（由多种原子组成）例如二氧化碳。气体混合物（例如空气）由几种不同的纯气体物质的气态存在于液相和等离子体相之间，后者是气体的温度上限。

存在于温标低端的退化量子气体越来越受欢迎。已经过冷到极低温度的高密度原子气体根据其统计行为被归类为玻色气体或费米气体。有关这些不寻常的物质状态的完整列表，请参阅物质状态列表。

气体分类如下：

  • 理想气体
  • 非理想气体或真实气体

气体动力学理论

气体的动力学理论用于解释气体分子的行为。宏观上是对气体分子的研究。

气体动力学理论的五个假设如下：

  • 气体由大量不断随机移动的分子组成。
  • 因为气体分子之间的距离大于分子的大小，所以分子的体积可以忽略不计。
  • 分子间的相互作用同样是微不足道的。
  • 分子相互碰撞以及与容器壁的碰撞始终是弹性的。
  • 所有分子的平均动能取决于温度。

影响气体行为的因素-

以下是影响气体行为的因素：

  1. 温度 (T)
  2. 体积 (V)
  3. 压力 (P)
  4. 数量 (n)

上面列出的组件是相互关联的，如下所列：

  • 由于气体分子的膨胀，气体的体积随着温度的升高而膨胀。
  • 由于随着温度下降气体分子的收缩，气体的体积也减少了。
  • 由于气体分子随着温度的升高而膨胀，气体的压力也随之升高。
  • 由于温度下降时气体分子的收缩，气体的压力也会下降。
  • 气体的温度必须非常低或气体的压力必须非常高才能将其转化为固体或液体。
  • 当量减少时，压力减小，当量增加时，压力增加。
  • 应减少气体的体积和量以降低压力。
  • 为了增加压力，必须增加气体的体积和数量。

气体法

以下是支配气体分子行为的五种气体定律：

1. 波义耳定律

当气体的量固定在恒定温度时，波义耳定律指出气体的体积与压力成反比。

P ∝ 1/V

PV = 常数

P1V1 = P2V2 = P3V3 = 常数

在哪里，

  • P 是气体的压力，
  • V是气体的体积。

波义耳定律的 PV 图

2. 查尔斯定律

根据查尔斯定律，具有固定质量的气体的体积与温度成线性比例。

V∝T

在哪里

  • T 是气体的温度，并且
  • V是气体的体积

查尔斯定律的电视图

3. 盖-吕萨克定律

当气体的体积保持不变时，盖伊定律 Lussac 指出，给定质量气体的压力直接随气体的绝对温度而变化。

P 1 /T 1 = P 2 /T 2

在哪里，

  • T 1是初始温度，
  • P 1是初始压力，
  • T 2是最终温度和
  • P 2是最终压力。

Gay Lussac 定律的 PT 图

4. 阿伏伽德罗定律

当气体的压力和温度保持不变时，阿伏伽德罗定律指出，摩尔数和气体的体积成正比。

V∝n

要么，

V/n = k

在哪里

  • V是气体的体积，
  • n 是摩尔数，并且
  • k 是比例常数。

阿伏伽德罗定律的图示

理想气体定律

根据理想气体定律，一克分子的压力和体积的乘积等于气体的摩尔数、通用气体常数和绝对温度的乘积。

PV = nRT

在哪里，

  • P是气体的压力，
  • V是气体的体积，
  • n 是摩尔数，
  • R 是通用气体常数 = 8.3145 J.mol -1 .K -1 ，
  • T 是气体的温度，并且
  • N 是阿伏伽德罗数，N A = 6.0221×10 23

理想气体性质和特性

  1. 沿直线的理想气体运动既是恒定的又是随机的。
  2. 因为气体中的粒子非常微小，所以气体占据的空间非常小。
  3. 气体粒子之间没有相互作用。粒子只会自动与容器的壁碰撞并相互碰撞。
  4. 绝对温度与气体粒子的平均动能成正比。
  5. 许多相同的粒子（原子或分子）构成了气体，它们是完美的刚性球体，而且非常小。
  6. 因为气体分子的体积与它们之间的空间相比非常小，所以它们被称为点质量。

示例问题

问题 1：在 3.500 atm 时，采集 18.10mL 气体样品。如果压力上升到 2.500 atm 并且气体量和温度保持不变，体积会是多少？

解决方案：

问题 2：泵中的二氧化碳样品的体积为 21.5 mL，温度为 50.0 C。如果温度升高到 75.0 C，而气体和压力的量保持不变。

解决方案：

问题 3：计算当 2.00 atm 的恒定体积气体从 30.0 摄氏度加热到 40.0 摄氏度时压力的变化。

解决方案：

问题 4：6.00 L 气体在恒温恒压下含有 0.975 mol。如果气体量增加到 1.90 mol，会增加多少体积？

解决方案：

问题 5：一个密封的罐子，容积为 1L 和 1 摩尔空气，温度为 20 摄氏度，假设空气的行为类似于理想气体。那么，在 Pa 中，罐子内的压力是多少？

解决方案：

问题6：影响气体行为的因素有哪些？

解决方案：