物化教学课件PPT气体的pVT性质.ppt

第一章 气体的pvt关系,1.1 理想气体的状态方程,1.2 理想气体混合物,1.3 气体的液化及临界参数*,1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子图*,1.4 真实气体的状态方程,1.1 理想气体的状态方程,理想气体的状态方程 理想气体模型 摩尔气体常数,气体状态研究模型,波义尔定律： pv = 常数 （n,t一定）,盖吕萨克定律： v/t = 常数 （n,p一定）,阿伏伽德罗定律： v/n = 常数 （t,p一定）,1.1 理想气体的状态方程,密闭容器中封闭一定量的气体,1.1 理想气体的状态方程,pv=nrt,1.理想气体的状态方程,若n=1，也可以写为：,pvm=rt,显然有： vm=v/n,1.1 理想气体的状态方程,r= 8.314,其中,摩尔气体常数,1.1 理想气体的状态方程,理想气体的定义及方程的用途,定义：在任意温度和压力下都严格服从理想气体状态方程的气体,用途：对于一定量的理想气体，pvt中有一个不独立。所以p可简述为：将物质的量为n的理想气体置于一个温度为t体积为v的容器中，气体所具有的压力。,1. 计算p，v，t，n四个物理量之一 pv = nrt,2. 气体摩尔质量的计算,3. 气体密度的计算,适用范围：温度不太低，压力不太高的真实气体,1.1 理想气体的状态方程,例:为了行车的安全，可在汽车中装备上空气袋，防止碰撞时司机受到伤害。这种空气袋是用氮气充胀起来的，所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在火花的引发下反应生成的。总反应是：,在25。p下，要产生75.0l的n2，计算需要叠氮化钠的质量。,1.1 理想气体的状态方程,6nan3+fe2o3(s) 3na2o(s)+2fe(s)+9n2(g),解：,6nan3+fe2o3(s) 3na2o(s)+2fe(s)+9n2(g) 6 9,1.1 理想气体的状态方程,对于n2，已知其p、v、t求物质的量n n=pv/rt 根据反应式求出：所需nan3的物质的量及质量,真实气体微观模型： 分子间有相互作用 分子本身有体积,1.1 理想气体的状态方程,2.理想气体的模型,1.1 理想气体的状态方程,理想气体微观模型：分子为一理想质点 分子间无相互作用 分子本身无体积,1.1 理想气体的状态方程,可以看出：理想气体是真实气体在 p 0 情况下的极限状态。,真实气体并不严格符合理想气体状态方程，真实气体的摩尔气体常量r并不为常数。 真实气体只在温度不太低、压力不太高的情况下近似符合理想气体状态方程。,1.1 理想气体的状态方程,由于压力趋于零的实验条件不易达到，所以，r值的确定实际是采用外推法求得的 首先，测量恒温下气体的pvmp图，外推至p 0，再由pvmrt求出r值。,n2,ch4,1.2 理想气体混合物,混合物组成表示 理气状态方程对混合物的应用 道尔顿定律（分压定律） 阿马加定律（分体积定律）,1.2 理想气体混合物,实际生产中常常涉及的是多种组分的混合状态，如氨气生产过程： 3h2 + n2 2nh3,1.2 理想气体混合物,1.混合物组成表示： 用摩尔分数表示: (x表示液体，y表示气体）,对于物质b,显然,1.2 理想气体混合物,用质量分数表示:,1.2 理想气体混合物,用体积分数表示:,显然,1.2 理想气体混合物,质量摩尔浓度:,溶液中溶质b的物质的量nb除以溶剂的质量ma,molkg-1,1.2 理想气体混合物,2.理气状态方程对理气混合物的应用,1.2 理想气体混合物,1) 分压力 (分压),1.2 理想气体混合物,3. 道尔顿定律（分压定律）,各组份气体对总压力的贡献即为该气体的分压,混合气体的总压是各组分分压之和： p = pb,如：两种气体混合 p= pa + pb,分压定律是理想气体的必然规律。,1.2 理想气体混合物,在理想气体混合物中，任意组分气体的分压等于同温下该气体在容器中单独存在时的压力。 混合气体的总压力等于各组分气体单独存在于混合气体的温度t、体积v条件下所产生压力的总和。,压力分数,即压力分数等于该组分i的摩尔分数。,1.2 理想气体混合物,定义：混合气体中某组分i的分压与总压之比,例：某容器中含有nh3、o2 、n2等气体的混合物。经分析知道，其中n(nh3) = 0.320 mol，n(o2) = 0.180 mol，n(n2) = 0.700 mol.混合气体的总压p = 133.0 kpa。试计算各组分气体的分压。,1.2 理想气体混合物,解：n = n(nh3) + n(o2) + n(n2) = 1.200 mol pb = ybp = (nb/n)p,例：25c时被水蒸气饱和了的氢气，经冷凝器冷却至10 c以除去其中大部分的水蒸气。冷凝器的操作压力恒定为128.5 kpa。已知水在10 c及25 c时的饱和蒸气压分别为1227.8 pa、3167.2 pa。试求： （1）在冷却前、后混合气体中含水蒸气的摩尔分数； （2）每摩尔氢气经过冷凝器时冷凝出水的物质的量。,1.2 理想气体混合物,1.2 理想气体混合物,1.2 理想气体混合物,1) 分体积,混合气体中，组分b单独存在，并且处于与混合气体相同的温度t和压力p时，所产生的体积称组分b的分体积。,1.2 理想气体混合物,4阿马加定律,b,分体积定律是理想气体的必然规律。,2) 阿马加分体积定律,混合气体的总体积是各组分分体积之和。,数学式 v = v*b,1.2 理想气体混合物,体积分数=压力分数=该组分i的摩尔分数,对于理想气体：,1.2 理想气体混合物,（2）由 和 pv = nrt,由 和 pv = nrt,本节小结： （1）分压定律和分体积定律原则上只是用于理想气体，但是，对于低压下的真实气体也是近似适用的。,1.2 理想气体混合物,作业： pp32：1.7 、1.8； pp33：1.10,1.2 理想气体混合物,1.4 理想气体混合物,真实气体的pvt性质 范德华方程,令 z = pv / (nrt) = pvm / (rt)， 对理想气体 z 1,1.4 真实气体的状态方程,1真实气体的pvt性质,1)实际气体在不同温度、压力下均偏离理想气体行为；,3)在同温、同压下，不同气体偏离理想行为的程度不同，反映气体的结构对其pvt行为有影响。,2)只有在p0的极限条件下，z =1，即符合理想行为；,1.4 真实气体的状态方程,1.4 真实气体的状态方程,偏差的来源：,分子间作用力 分子自身体积,理想气体,实际气体,根据理想气体的微观模型，可知：,pvm = rt,1.4 真实气体的状态方程,为了获得适用于实际气体的状态方程，就需要对理想气体状态方程进行修正,分子间无相互作用力时表现的压力,1 mol气体的可压缩空间,(1) 压力p的修正,在压力不太大的情况下，气体分子间作用力主要是吸引力。,1.4 真实气体的状态方程,吸引力的存在，减弱了分子碰撞器壁时对器壁施加的力,设实际气体的压力为p, 如果分子间力不存在，则气体的压力必大于p，此时压力以(p + p)表示。,实际气体摩尔体积因分子本身体积的存在，可压缩空间减小。,1 mol气体的可压缩空间以 (vm v)表示。,1.4 真实气体的状态方程,2)体积vm修正,1.4 真实气体的状态方程,真实气体的状态方程：,（p + p）（vm v）= rt,1.4 真实气体的状态方程,范德华方程(1873年)：,a和b均为范德华常数，均为正值，与气体性质有关，大小可查 一般情况下，分子间作用力越大， a值越大，气体本身体积越大，b值也越大,j. d. van der waals 1837-1923,1.4 真实气体的状态方程,范德华方程的优缺点,1) 考虑了实际气体与理想气体的本质区别，其精度优于理想气体方程 pv = nrt,2) 实际情况远比范德华所考虑情况复杂多， 通常只能满足几十标准压力下气体的pvt性质的描述（中压条件下）,3) 方程求解vm比较麻烦,几个概念：,液体的饱和蒸气压 临界参数 临界点 对比参数、对比状态 压缩因子,1饱和蒸气压 （讨论气-液转化时常用）,在温度为t，物质气液两相达平衡时的气相压力为饱和蒸气压 ps，即能与液相平衡共存的它的蒸气的压力,是液体自身所固有的性质，纯物质在指定温度下有确定的饱和蒸气压。,1.3 气体的液化与临界现象,温度升高，分子内能增加、热运动加快，单位时间、单位面积液体表面上溢出到气相中的分子数增多。,随着温度升高，饱和蒸气压增大。,表示液体挥发的难易，其大小决定于液体所处的状态，主要是液体的温度。,1.3 气体的液化与临界现象,沸点：液体蒸汽压等于外接压力时所对应的温度，通常将1个大气压（101325 pa）下的沸点称为正常沸点。,当气相压力超过物质所在温度下的饱和蒸气压时，凝结速度大于蒸发速度，总的宏观效果是气体凝结。,气-液平衡状态要求,1.3 气体的液化与临界现象,显然有：,气体的凝结,气体的蒸发,若气相压力小于物质所在温度下的饱和蒸气压时，凝结速度小于蒸发速度，总的宏观效果是气体蒸发,1.3 气体的液化与临界现象,相对湿度：,大气中水蒸气的分压与相同温度下水的饱和蒸气压之比,北方冬季：30% 夏季：90%(最高),1.3 气体的液化与临界现象,2. 临界参数和临界点,定义：,tc利用加压手段使气体液化的最高温度 pc在临界温度时使气体液化所需要的最小压力 vm, c在临界温度和临界压力时气体的摩尔体积,是物性参数 不宜测量,临界点：饱和蒸气与饱和液体无区别的点,此时对应的温度、压力和摩尔体积分别为临界温度tc、临界压力pc、临界摩尔体积vm, c,1.3 气体的液化与临界现象,1.5 对应状态原理与普遍化压缩因子图,对比参数与对比状态 对比状态原理 压缩因子图,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,1. 对比参数和对比状态,定义,对比温度 对比压力 对比体积,对比参数可以用来度量某一物质偏离其临界点的幅度,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,范德华对比方程,1881年将范德华方程应用于临界点的研究并进行纯数学处理，得到：,带入原范德华方程得对比方程：,启示：不再出现与物性有关的常数a，b，即不同气体如果它们具有相同的pr和tr，则vr必然相等，也称它们处在相同的对比状态（与临界点的距离）。,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,2. 对比状态原理,当不同气体有两个对比参数相等时，第三个对比参数也将相等。处在相同对比状态的各种气体（甚至液体），具有相近的物性（如摩尔热容、膨胀系数、压缩系数、黏度等）,人们根据对应状态原理的启示，提出了一个普遍化的解决实际气体pvt状态的方法压缩因子图。,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,3. 压缩因子图,压缩因子z,pv =znrt pvm =zrt,z的意义：表征实际气体偏离理想气体行为的程度，是一个无量纲的纯数，理想气体的z=1。,a对理想气体 z 1,b反应气体的压缩性,z = pv / (nrt) = pvm / (rt),z1，气体本身体积因素和分子间斥力因素起主导作用，比理想气体难压缩。,z1，分子间引力因素起主导作用，比理想气体容易压缩。,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,对z分析,如何求z？,z不是特性参数，随气体状态而改变z=f(t, p),所以：z=f(zc, pr,tr)是临界压缩因子zc和对比状态的函数,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,根据范德华方程的求解结果：,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,实验表明：,所以：zc常数，于是,z=f(pr,tr),气体有各自的对比状态参数，对比状态参数相同的气体可能有完全不同的pvt值。但处在形同对比状态的气体，不仅具有相同的物性，而且它们偏离临界点的程度基本相同(相同的压缩因子)。,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,表明：,压缩因子图,由对应状态原理可知 各气体压缩因子z应遵循相同的函数关系： z = f(pr, tr),1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,这样一来，就可以在抛开具体气体种类的情况下，得到描述气体状态的普适性更强的方程，极大地方便了工程应用。,1.5 对应状态原理与 普遍化压缩因子图,该函数形式极其复杂，所以一般用图形描述，z = f(pr, tr)称压缩因子图。,1）曲线分布表明：低压高温气体更接近理想气体； 2）tr1时气体在升压到饱和蒸气压