应用物理化学气体

1、上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回应用物理化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回第一章第一章 气体气体上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回 本章本章重点、难点重点、难点l 气体气体的液化与的液化与临界状态临界状态l 压缩因子压缩因子与实际气体的有关计算与实际气体的有关计算。本章要点本章要点上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回第一节第一节 理想气体理想气体第一章第一章 气体气体上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回 要研究气体，描述气体的状态，就要用到要研究气体，描述气体的状态，就要用到气体的状态函数。气

2、体的状态函数。 基本概念温度压力体积物质的量前前 言言上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回前前 言言上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回前前 言言上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12物质的量前前 言言上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式历史背景历史背景 蒸汽机和内燃机是机器工业的标志。需要研究气体。 限于当时实验条件和水平的限制，主要对象为低压气体。因此得出的规律主要适应低压气体。低压气体三定律l 波义耳定律l 盖吕萨克定律l 阿伏加德罗定律上

3、一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式1662年年，英国化学家波义耳提出：定量气体在一定，英国化学家波义耳提出：定量气体在一定温度下其体积与压力成反比，即温度下其体积与压力成反比，即n、T一定，一定，V1/ppcpbpa，由波义尔定律，由波义尔定律，相同相同T，V越高越高，p越小越小（ V1/p ）上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式18021802年，法国化学家盖年，法国化学家盖- -吕萨克提出：定量气体在一定压吕萨克提出：定量气体在一定

4、压力下其体积与热力学温度成正比，即力下其体积与热力学温度成正比，即n、p一定一定，VTTcTbTa ，相同相同p，T越高越高，V越高越高上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式18111811年，意大利年，意大利化学家阿佛加德罗化学家阿佛加德罗提出：在一定温度、压提出：在一定温度、压力下气体体积与物质的量成正比，即力下气体体积与物质的量成正比，即T、p一定一定，Vn上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式联合三个实验定律，可得联合三个实验定律，

5、可得VnT/p ，假如，假如R为比例为比例常数，可得常数，可得V=nRT/p ，即，即pV=nRT （R称为通用称为通用气体常数气体常数）理想气体的特征理想气体的特征（1 1）宏观特征：符合）宏观特征：符合pV=nRT理想气体状态方程；理想气体状态方程；（2 2）微观特征：）微观特征： 气体分子间相互作用力可以忽略（无分子作用力）气体分子间相互作用力可以忽略（无分子作用力） 气体分子的体积可以忽略（分子本身不占体积）气体分子的体积可以忽略（分子本身不占体积） 上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式在标准状况下，对于在

6、标准状况下，对于1mol气体气体，pV=nRT可以写成可以写成pVm=RT。精确测定实际气体精确测定实际气体Ne、O2、CO2的的pVm随压随压力力p p 的变化情况并绘出关系曲线。的变化情况并绘出关系曲线。(pVm)p0=2271.2(J.mol-1)R=8.314(J.K-1.mol-1)上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一、理想气体一、理想气体状态方程式状态方程式R的特点的特点：与：与压力、体积的单位有关，与压力、体积压力、体积的单位有关，与压力、体积的数值及气体种类无关，因此，称为通用气体常数。的数值及气体种类无关，因此，称为通用气体常数。上一内容

7、上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12外推法应用实例外推法应用实例利用利用pV=nRT和外推法求实际气体的摩尔质量。和外推法求实际气体的摩尔质量。pV=nRT=(m/M)RTM=(m/V)(RT/p) =( /p)RT以实际气体的以实际气体的( /p)对对p作图，将直线外推至作图，将直线外推至p=0，求得求得( /p)p0，代代入入M= ( /p)RT即可。即可。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、理想气体混合物中的分压力和分体积理想气体混合物中的分压力和分体积定律定律总压与分压概念示意图总压与分压概念示意图总压力总压力p：混

8、合气体整体对器壁所施加的压力称为总压力混合气体整体对器壁所施加的压力称为总压力p。分压力分压力pB：在同一温度下，各个气体单独存在并占有混合气体在同一温度下，各个气体单独存在并占有混合气体的体积时对器壁所施加的压力就是分压力的体积时对器壁所施加的压力就是分压力pB 。道尔顿分压力定律：道尔顿分压力定律：混合气体的总压力等于各个气体分压力的混合气体的总压力等于各个气体分压力的总和。即总和。即p=p1+p2+pn n= =分压定律适用于理想或低压混合气体。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、理想气体混合物中的分压力和分体积理想气体混合物中的分压力和分体积定

9、律定律由于各个别气体均符合理想气体状态方程，即由于各个别气体均符合理想气体状态方程，即 p1V=n1RT p1=n1 (RT/V) p2V=n2RT p2=n2 (RT/V) p=p1+p2=n1 (RT/V) +n2 (RT/V) =(RT/V)(n1+n2) /得得 p1=p.y1 /得得 p2=p.y2 对于对于n种气体，种气体，pB=p.yB。12111ynnnpp22122ynnnpp上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、理想气体混合物中的分压力和分体积理想气体混合物中的分压力和分体积定律定律总体积与分体积概念示意图总体积与分体积概念示意图总体

10、积总体积V：混合气体整体所占有的体积称为总体积混合气体整体所占有的体积称为总体积V。分体积分体积VB：在同一温度下，各个气体单独存在并具有混合气在同一温度下，各个气体单独存在并具有混合气体压力时所占有的体积就是分体积体压力时所占有的体积就是分体积VB 。阿玛加分体积定律阿玛加分体积定律：混合气体的总体积等于各个气体分体积的：混合气体的总体积等于各个气体分体积的总和。总和。 即即V=V1+V2+Vn=VB适用条件适用条件：理想或低压混合气体：理想或低压混合气体上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、理想气体混合物中的分压力和分体积理想气体混合物中的分压力和分

11、体积定律定律由于各个别气体均符合理想气体状态方程，即由于各个别气体均符合理想气体状态方程，即 pV1=n1RT V 1=(RT/p)n1 pV2=n2RT V 2=(RT/p)n2 V=V1+V2=(RT/p)n1+(RT/p)n2=(RT/p)(n1+n2) /得得 V1=V.y1 /得得 V2=V.y2 对于对于n种气体，种气体，VB=V.yB。12111ynnnVV22122ynnnVV上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、理想气体混合物中的分压力和分体积理想气体混合物中的分压力和分体积定律定律例 题在其中有两隔板的容器中分别放有在其中有两隔板的容

12、器中分别放有N2、H2 、O2三种气三种气体。这三种气体的温度体。这三种气体的温度T、压力、压力p和体积和体积V均相同。若均相同。若将两隔板同时抽开，使气体均匀混合，则将两隔板同时抽开，使气体均匀混合，则N2分压力为分压力为， H2 分压力为，分压力为， O2分压力为；分压力为； N2分体分体积为，积为， H2 分体积为，分体积为， O2分体积为。分体积为。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12第一章第一章 气体气体第二节第二节 实际气体实际气体上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一一、实际实际气体对理想气体的偏差气体对理想

13、气体的偏差研究实际气体研究实际气体对理想气体偏对理想气体偏差的原因是为差的原因是为了找出修正理了找出修正理想气体状态方想气体状态方程的根据，建程的根据，建立一种立一种压力适压力适用范围更广用范围更广的的实际气体状态实际气体状态方程。方程。 等温下实际气体与理想气体的等温下实际气体与理想气体的pV-p图图上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一一、实际实际气体对理想气体的偏差气体对理想气体的偏差实际气体特点实际气体特点宏观宏观：不符合：不符合pV=nRT理想气体状态方程。理想气体状态方程。微观微观：气体分子间存在相互作用力：气体分子间存在相互作用力 气体气体分子

14、本身具有体积。分子本身具有体积。分子间作用力是主要的，可分为吸引力和排斥力分子间作用力是主要的，可分为吸引力和排斥力两个方面。两个方面。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12分子间吸引力：范德华力分子间吸引力：范德华力一一、实际实际气体对理想气体的偏差气体对理想气体的偏差定向力定向力：存在于极性分子之间：存在于极性分子之间,由于由于极性分极性分子子的正的正、负电荷负电荷中心不重合引起中心不重合引起的的。定向力与分子间距离的定向力与分子间距离的7次方成反比次方成反比温度越高，定向力越温度越高，定向力越小小诱导诱导力力：存在于极性和非极性分子之间，：存在于极性和非

15、极性分子之间，当当极性分子与非极性分子极性分子与非极性分子相互接近时，非相互接近时，非极性分子在极性极性分子在极性分子固有分子固有偶极的作用下，偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用作用力力。大小随极性分子强度的增大而增大大小随极性分子强度的增大而增大诱导力与分子间距离的诱导力与分子间距离的7次方成反比次方成反比上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一一、实际实际气体对理想气体的偏差气体对理想气体的偏差色散力色散力：由电子在核外运动的不均匀性产生

16、的由电子在核外运动的不均匀性产生的。l极性分子、非极性分子及其相互之间皆存在色散力极性分子、非极性分子及其相互之间皆存在色散力l色散力与分子间距离的色散力与分子间距离的7 7次方成反比次方成反比l色散力与分子量有关，分子量越大，色散力越大。色散力与分子量有关，分子量越大，色散力越大。对于高对于高分子，色散力是主要的分子，色散力是主要的分子间作用力分子间作用力上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一一、实际实际气体对理想气体的偏差气体对理想气体的偏差l当当r=r0时，分子间的引力和时，分子间的引力和斥力平衡斥力平衡。l当当r r0时，分子间的引力大时，分子间的引

17、力大于斥力，合力表现为于斥力，合力表现为引力。引力。l当距离再加大，分子间的当距离再加大，分子间的引力和斥力都减小，当引力和斥力都减小，当r10-9m（约分子直径的（约分子直径的10倍），倍），分子间的作用力就小到可以分子间的作用力就小到可以忽略忽略了。了。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12现象现象：在：在abc段段 (pV)实实 (pV)理理解释解释：在：在abc段，压力段，压力p较低，分子较低，分子间距离较大，分子间主要是吸引力，间距离较大，分子间主要是吸引力，导致导致V实实V理理，在相同压力下，在相同压力下(pV)实实V理理，在相同压力下，在相同压力

18、下(pV)实实 (pV)理理。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、实际实际气体状态方程式气体状态方程式引引 言言 由于实际气体和理想气体的差别在于由于实际气体和理想气体的差别在于实际气实际气体存在分子间作用力体存在分子间作用力，而且，而且实际气体分子体积不实际气体分子体积不能忽略能忽略，因此，可以对理想气体状态方程式中的，因此，可以对理想气体状态方程式中的压力和体积进行校正，使之符合实际气体的压力和体积进行校正，使之符合实际气体的p、V、T行为，从而产生了实际气体的状态方程式。行为，从而产生了实际气体的状态方程式。 范德华方程范德华方程就是考虑了实际气

19、体与理想气体就是考虑了实际气体与理想气体的差别，由简单的理想气体状态方程式引入压力的差别，由简单的理想气体状态方程式引入压力改正项和体积改正项而得到的适用于中压实际气改正项和体积改正项而得到的适用于中压实际气体的状态方程。体的状态方程。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二二、实际实际气体状态方程式气体状态方程式1、压力修正项、压力修正项v 压力是气体分子压力是气体分子碰撞器壁的结果。碰撞器壁的结果。v 碰撞器壁的实际气体分子碰撞器壁的实际气体分子,由于受到气体分子的吸引由于受到气体分子的吸引,导致压导致压力减少力减少,使得使得p实际实际 Tc 时，液相消失

20、，无时，液相消失，无论加多大压力论加多大压力，不再可使气体液化。不再可使气体液化。临界温度临界温度Tc使气体能够液化所允许使气体能够液化所允许的最高温度的最高温度；临界压力临界压力pc在在Tc时使气体液化所需时使气体液化所需要的最低压力；要的最低压力；临界体积临界体积Vc在在Tc、 pc下下1mol气体的气体的体积。体积。 临界参变量是物质的特性常数。临界参变量是物质的特性常数。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12一些物质的临界参变量一些物质的临界参变量上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理上

21、一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理T Tc 时时: : Vm有一有一个实根，两个虚根，个实根，两个虚根，虚根无意义虚根无意义；T Tc时：如时：如 p = p1 ：有三个实根，有三个实根，最大值为最大值为V3，最小值为最小值为V1 ；T = Tc 时时: : 如如 p = pc ：Vm 有三个相有三个相等的实根等的实根Vm,c 。出现出现3个重根的条件是个重根的条件是： 临界点临界点范德华方程式：范德华方程式：0)(3CVV

22、上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理(3) (2) (1) 3233cccccccVpabVpaVpRTb2272783baPRbaTbVcccCCPTRa22.6427CCPRTb81cccTVPR38或或RbaTbapbVccc2782732上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理将将a、b、R与临界参变量的关系式代入范德华方程式可得：与临界参变量的关系式代入范德华方程式可得：ccccTTVVVVpp81)(332令：令：crppp crVVVcrTTT对比压

23、力对比压力 对比体积对比体积对比温度对比温度rrrrTVVp8)13)(3(2范德华对比状态方程式：范德华对比状态方程式：上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12二、二、对应状态原理对应状态原理l 由由对比状态方程可知，对比状态方程可知，pr、Vr相同，相同，Tr也相同。若也相同。若pr 、 Vr 、 Tr相同，则气体处在对应状态。相同，则气体处在对应状态。l 组成组成、结构、分子大小相近（如、结构、分子大小相近（如N2，O2等）的物质，等）的物质，当处在对应状态时，则它们性质（如粘度、密度、压当处在对应状态时，则它们性质（如粘度、密度、压缩性等）之间有简单的关

24、系（如相等、成正比或反比缩性等）之间有简单的关系（如相等、成正比或反比等），这就是等），这就是对应状态定律对应状态定律。l 用途用途：可由一些气体的性质推测另一些气体的性质。：可由一些气体的性质推测另一些气体的性质。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12第一章第一章 气体气体第四节第四节 压缩因子压缩因子与实际气体计算与实际气体计算上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算引入引入压缩因子压缩因子 Z 来修正理想气体状态方程，以描述实际气来修正理想气体状态方程，以描述实际气体的体的 pV

25、T 性质性质，是最简便，适用压力范围也较广的方法，是最简便，适用压力范围也较广的方法。（P V ）实际实际= Z n R TZ Z称为压缩因子称为压缩因子理实pVpVnRTpVZ压缩因子可表示实际气体压缩因子可表示实际气体PVPV值对理想气体值对理想气体PVPV值偏差的大小值偏差的大小，用来说明真实气体偏离理想行为的程度。，用来说明真实气体偏离理想行为的程度。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算压缩因子与对比状态参数的关系压缩因子与对比状态参数的关系rrrccccccTTVVppTVPRTVPTVpRRTpVZcc

26、crrrrrrcTVpccTVPTVPTVpccc8338Tc,pcT,pTrprrrrrTVVp81332VrrrrTVpZ83Tr prZ上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算Z Z的数值通常的数值通常是由是由压缩因子图查得。压缩因子图查得。从从压缩因子与对比压缩因子与对比状态参数的定义状态参数的定义可可以以看到，若气体有看到，若气体有相同相同的的p pr r 、V Vr r 、T Tr r ，则则Z Z相同相同( (即即对应状态定律对应状态定律) )。因此可根据一些气因此可根据一些气体的数据，计算它体的数据，计

27、算它们在不同对比状态们在不同对比状态下的压缩因子，就下的压缩因子，就可作成压缩因子图。可作成压缩因子图。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子图的应用压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算 1、已知、已知p、T求求Vm、Z 2、已知已知p、V求求Z、T 3、已知已知T、V求求Z、p上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算( (此时用范德华方程较困难，而用压缩因子图容易此时用范德华方程较困难，而用压缩因子图容易) )上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回20

28、22-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算例例1：已知二氟二氯甲烷（：已知二氟二氯甲烷（CF2Cl2）的临界参数为的临界参数为Tc=385.0K，pc=4123.9kPa，试用压缩因子图计算试用压缩因子图计算T=366.5K、p=2067kPa条件下该气体的摩尔体积条件下该气体的摩尔体积Vm。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算2、已知、已知p、V，求求Z、TvpV=ZnRT Z=pV/(nRTc Tr ) 作作Zk/Tr关系图关系图v在在pr一定时，查压缩因子图，得到一系列点（一定时，查压缩因子图

29、，得到一系列点（Zi, Tr,i），），再作再作ZTr图图v两图交点为所求两图交点为所求Z与与Tr 。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算例例2: 6.02mol的甲烷气体，压力为的甲烷气体，压力为140atm,体积为体积为1L，试试求其温度。求其温度。 解：可查得解：可查得tc=-82.62 ，pc=45.36atmrrcrcrTTTRTpnVnRTpVZppp488. 1)62.8215.273(08206. 002. 61401086. 336.45140上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因子与实际气体计算压缩因子与实际气体计算Pr=3.086时，时，Z值与值与Tr的实际关系可由压缩因图查得为的实际关系可由压缩因图查得为Tr1.31.41.61.8Z0.640.720.830.9400.20.40.60.811.21.41.21.41.61.82TrZZ=1.488/Tr插图Tr=1.69T=TrTc=322K上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录O返回2022-6-12压缩因