第2章气体ppt课件

1、第二章 气体 Chapter 2 Gas 1 气体分子运动论 2 理想气体形状方程式 3 实践气体形状方程式 4 气体的液化 5 道尔顿分压定律 6 气体分散定律 1气体分子运动论 The Kinetic-Molecular Theory of Gases 气体的根本性质，如紧缩性、膨胀性和分散性等主要都是来自于气体分子的特殊运动方式，气体分子运动论的根本论点概括如下： 1. 气体是由独立的分子所组成，气体分子的体积小到可以忽略不计。气体分子彼此相距很远，分子间相对有很大的间隔，因此气体中大部分是空的空间。 2. 气体分子间相互引力很小，可以忽略不计。因此，气体分子的运动与其它分子无关。1气体

2、分子运动论 The Kinetic-Molecular Theory of Gases 3. 在常温下，气体分子的运动是永久的，它运动的直线路程只需在发生分子碰撞或撞击容器气壁时才会发生改动。气体分子的一切碰撞都是弹性碰撞，碰撞中不损失动能。 4. 气体的压力来自气体分子对容器器壁的碰撞。 5. 在气体中，分子可以有不同的动能，但一切分子的平均动能与气体的绝对温度成正比。v气体分子的速率分布v虽然每个分子的运动速率随时都在改动，但分子总体的速率分布却遵照一定的统计规律，即在某特定速率范围内的分子数占总分子数中的份额是可以统计估算的。v19世纪60年代物理学家Maxwell和Boltzmann用

3、概率论及统计力学方法从实际上推导了气体分子速率分布和能量分布的规律：v到20世纪中叶，随着高真空技术的开展，人们经过实验直接测定了某些气体分子的速率分布，验证了Maxwell分布律。v气体分子的能量分布 (Maxwell-Boltzmann分布律)v假设分子只在平面上运动，可简化为：2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 假设有一种气体，它的分子只需位置而不占有体积，是一个具有质量的几何点；分子之间没有相互吸引力，分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不呵斥动能损失。我们称这种气体为理想气体。 一定质量的气体在确定的温度和压力下将占有确定的体积，这是气体的

4、根本性质。所以对一定质量的气体来说，它的压力p、体积V和温度T互为变数，是决议气体形状的根本参数，因此把p、V和T称为气体的形状函数。 2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 1. 波义尔定律 Boyle Law 当n和T一定时，气体的V与p成反比，这就是波义尔定律，可以表示为： V 1/p (2-1) 2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 2. 查理定律 Charles Law 当n和p一定时，气体的V与T成正比，这就是查理Charles定律，可以表示为： V T (2-2) 2 理想气体形状方程式 The

5、 Ideal Gas State Equation 3. 阿佛加德罗定律 Avogadro 当p和T一定时，气体的V和n成正比，这就是阿佛加德罗Avogadro定律，可以表示为： V n (2-3) 2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 以上三个阅历定律的表达式(2-1)、(2-2)和(2-3)可以合并成如下的关系式： V nT/p (2-4) 实验测得6-4式中的比例系数是R，于是得到： pV = nRT (2-5) 这就是大家熟习的理想气体形状方程式。式中p、V、T是气体参数，R是气体常数，n是气体的物质的量。 2 理想气体形状方程式 The I

6、deal Gas State Equation 由于n = m/M，上式也可以写成： pV = (m/M ) /RT (2-6) 式中m为理想气体的质量，M为理想气体的相对分子(原子)质量。在国际单位制中，p以Pa、V以m3、T以K、m和M以kg为单位，R为8.314 J mol-1 K-1。 根据理想气体形状方程式，可以计算气体未知的形状函数，也可以在知形状条件下求气体物质的相对分子质量等。 2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 例1 在容积为10.0dm3的真空钢瓶内充入氯气，当温度为288K时，测得瓶内气体的压强为1.01107 Pa，试计算钢

7、瓶内氯气的质量，以kg表示。 2 理想气体形状方程式 The Ideal Gas State Equation 解： 由于 pV = 所以 2.99 kg mRTMpVMmRT288314.8100 .71100 .101001.13373实践气体形状方程式 The Real Gas State Equation 理想气体只是一种人为的气体模型，实践中它是不存在的。研讨结果阐明，在高温、低压条件下，许多实践气体如H2、O2、N2、CO等很接近于理想气体，可以用理想气体方程式来计算这些气体的行为。 但对复杂的大的相对分子质量的气体，或在高压、低温下，用理想气体方程式计算时便会出现偏向，由于此时气

8、体处于非理想形状，是实践气体了，要想继续运用理想气体方程式，必需对它进展某种修正。 3实践气体形状方程式 The Real Gas State Equation 第一个修正要素是体积要素，气体是真实物质，当气体处于高压时，分子本身体积不容忽视，这部分体积是不可以紧缩的，那么实践气体分子可以活动的空间要比容器的容积小，也就是说，应该从气体体积中减去气体分子本身体积。假设1 mol某气体分子本身体积为b，在忽略分子间引力的情况下，理想气体形状方程被修正成： V(理想)= V(实践)-nb p(V-nb)= n R T 2-7 3 实践气体形状方程式 The Real Gas State Equat

9、ion 第二个修正要素是压力要素，在高压或低温下，气体分子很接近，分子相互间的引力不容忽视，也就是说实践气体碰撞器壁的分子遭到内层分子的吸引，不能全力以赴地碰撞器壁，所以，实践气体碰撞器壁时所表现出的压力呵斥的压强要比分子间无引力的理想气体所产生的压强要小，减小的数值称为内压p内压，实践气体的压力加上内压才相当于理想气体的压力。 p理想p内压 p实践 3 实践气体形状方程式 The Real Gas State Equation 内压p内压是由临近器壁的分子与内部的分子之间相互吸引而引起的，它除了决议于物质本性外，还与气体分子的密度成正比，经实验丈量，内压与气体分子的密度平方成正比： p(内压

10、) (n /V)2 假设a是比例校正因数，那么有如下等式 P(内压)= a(n /V)2 因此： p(理想)= p(实践)a(n /V)2 2-83 实践气体形状方程式 The Real Gas State Equation 将2-8式代入2-7式，就得到了既思索了分子本身体积，又思索了实践气体的分子间引力的形状方程式： pan/V2V-nb= nRT 2-9 这个式子称为范德华实践气体形状方程，式中a是与分子间引力有关的常数，b是与分子本身体积有关的常数。两者统称为范德华常数，均可由实验确定。 表2.1一些气体的范德华常数 3 实践气体形状方程式 The Real Gas State Equ

11、ation 由于不同的气体有它们各自的构造和性质，因此这个方程依然是近似的。在化工气体反响工程中，对于详细气体仍需求为其建立特有的带有更多校正要素的形状方程式。 引入紧缩系数(Z)表示实践气体的实验值和理想值的偏向。v两种偏离要素的影响：两种偏离要素的影响：两种偏离要素的影响：两种偏离要素的影响：v1) 分子内聚力使气体分子对器壁碰撞产生的压力减小，也分子内聚力使气体分子对器壁碰撞产生的压力减小，也就是实测的压力就是实测的压力, 分子内聚力使气体分子对器壁碰撞产生的分子内聚力使气体分子对器壁碰撞产生的压力减小，也就是实测的压力要比理想形状的压力小些，压力减小，也就是实测的压力要比理想形状的压力

12、小些，因此要比理想形状的压力小些，因此因此要比理想形状的压力小些，因此Z = pV/nRT 1。v实践上两种要素同时存在，当分子的吸引力要素起主要作实践上两种要素同时存在，当分子的吸引力要素起主要作用时，用时，Z1。 也有两个要也有两个要素恰好相抵消的情况，此时素恰好相抵消的情况，此时Z=1, 但并非理想气体。但并非理想气体。4 气体的液化 Gas Liquefaction 气体变成液体的过程叫做液化或凝聚(conden-sation)。我们知道降低温度或同时添加压强的条件下可以使气体液化。由于降温可以减小液体的饱和蒸汽压，而加压那么可以减小气体分子间的间隔，有利于增大分子间的引力。因此，当降

13、温或同时加压到一定程度时，气体就液化了。 那么气体液化，降温暖加压能否必需同时具备呢？ 表2.2 一些气体的临界常数和熔、沸点 气体Tc/Kpc / PaVc/m3 mol-1m p /KHe5.12.281055.7710-51H233.11.301066.5010-514N21263.391069.0010-563O2154.65.081067.4410-554CH4190.94.641069.8810-590CO2304.17.391069.5610-5104NH3408.41.131077.2310-5195Cl24177.711061.2410-4122H2O647.22.21107

14、4.5010-42734 气体的液化 Gas Liquefaction 从表中的数据可以看出，He、H2、N2、O2等气体是熔、沸点很低的物质，其临界温度也都很低，难以液化。这是由于这些气体是非极性分子，分子间引力很小呵斥的。而H2O、NH3等是强极性分子，具有较大的分子间作用力因此比较容易液化。 气态物质处在临界温度、临界压强和临界体积的形状下，我们称之为处于临界形状。这是一种不稳定的特殊形状，在这种形状下，气体和液体之间的性质差别将消逝，两者之间的界面亦将消逝。 5 道尔顿分压定律 Daltons Law of Partial Pressures 当两种或多种互不起化学反响的气体放在同一容

15、器中，混合物中每一种气体的压力与假定此气体独占该容器时的压力一样。在气体混合物中，每一气体的压力叫做它的分压。1801年，英国物理学家和化学家道尔顿Dalton经过实验察看发现：气体混合物的总压力等于各气体分压的总和。这就是道尔顿的气体分压定律，写成数学式是： p总= p1 p2 p3 2-10 5 道尔顿分压定律 Daltons Law of Partial Pressures 根据分压定义，有以下关系式： piV总= niRT 2-11 混合气体的形状方程可写成： p总V总= nRT 2-12 用6-11式除以6-12式得到： pi/p总= ni/n 2-13 用xi表示ni/n，xi称为

16、混合气体中某气体的摩尔分数， 那么6-13式可以写成： pi = xi p总 或 pi=ni /np总 2-14 上式阐明了分压与混合气体组成之间的关系。 5 道尔顿分压定律 Daltons Law of Partial Pressures 例2 有一个3.0dm3的容器，内盛16g氧气，28g氮气，求300K时氮气、氧气的分压及混合气体的总压。 5道尔顿分压定律 Daltons Law of Partial Pressures 解：首先求出氧气的物质的量: =16/32=0.5 mol 根据6-14式和6-12式可求出氧气的分压： Pa 同理求得： Pa Pa 2On222总3总0.58.3143003.010OOOnnnRTppnnV54.16 10258.32 10Np225554.16 108.32 1012.48 10总ONppp6 气体分散定律 Diffusion Law of Gases 一种气体可以自发地同另一种气体混合，并且相互浸透，这种景象叫做分散。另一方面，气体在加压下可以经过容器中的小孔向低压环境隙漏，这种景象也叫做分散。 6 气体分散定律 Diffusion Law of Gases 英国物理学家格拉罕姆Graham在1831年