壓縮因子

壓縮因子Z是理想氣體狀態方程用於實際氣體時必須考慮的一個校正因子，用以表示實際氣體受到壓縮後與理想氣體受到同樣的壓力壓縮後在體積上的偏差。

校正後的方程，是描述真實氣體的性質中，最簡單，最直接，最準確，使用的壓力範圍也最廣泛的狀態方程。

基本介紹

• 中文名：壓縮因子
• 外文名：compressibility factor
• 符號：Z
• 套用學科 ：化學、物理
• 套用領域：實際氣體
• 別名：壓縮係數

定義

由於理想氣體作了兩個近似：忽略氣體分子本身的體積和分子間的相互作用力，所以實際氣體都會偏離理想氣體。偏離的程度取決於氣體本身的性質以及溫度、壓強等因素。一般而言，沸點低的氣體在較高溫度和較低壓強時偏差較小，反之偏差較大。

壓縮因子Z被引用來修正理想氣體狀態方程: 。

壓縮因子的定義式為： ，壓縮因子的量綱為一。

很顯然，Z的大小反映出真實氣體對理想氣體的偏差程度，即Z等V_{m（真實）}除以V_{m（理想）}。由於Z反映出真實氣體壓縮的難易程度，所以將它稱為壓縮因子。

可以看出，Z是同樣條件下真實氣體摩爾體積與理想氣體摩爾體積的比值，它的大小反映出真實氣體偏離理想氣體的程度。理想氣體的Z值在任何條件下恆為1。Z小於1說明真實氣體的摩爾體積比同樣條件下理想氣體的為小，真實氣體比理想氣體更易壓縮。Z大於1則相反。由於它反映出真實氣體的壓縮難易程度，所以稱為壓縮因子。壓縮因子的量綱為一。

性質

對於理想氣體，在任何溫度壓力下，Z=1。

當Z<1時，說明真實氣體的Vm比同樣條件下理想氣體的Vm小，此時真實氣體比理想氣體易於壓縮，這是因為實際分子內聚力使得氣體分子對氣壁碰撞產生的壓強減小，所以實測的壓強比理想狀態的壓強要小些，p_測<p_理想。

當Z>1時，說明真實氣體的Vm比同樣條件下理想氣體的Vm大，此時真實氣體比理想氣體難於壓縮，這是因為分子占有一定的空間體積，實測的體積總是大於理想氣體的體積，V測>V理想

兩種相反的因素相互制約，Z的大小關鍵看哪一個因素占主導。

用壓縮因子表示的維里方程如下：

對p取導數可以看到，真實氣體的 圖在 時的斜率並不為1，而是趨於一個維里係數值。但對於理想氣體 （因為所有壓力下Z均=1）。維里係數是溫度的函式；在壓力低或摩爾體積大的情況下，使 在 時為0的溫度，稱為波義耳溫度。

此外可以類似地使用 等溫線代替 等溫線，反映出真實氣體對理想情況的偏差隨壓力的變化。所有氣體在 時均趨近理想氣體，所以任何 等溫線在 時均趨於Z=1。

將壓縮因子的概念套用於臨界點，可以類似地得到“臨界壓縮因子”：

套用

雖然壓縮因子Z表示得是真實氣體行為偏離理想狀態的程度，但由於理想狀態是不存在的，便無實際具體的實驗數據，因而難以從壓縮因子Z的物理意義上直接求出其數值。

臨界壓縮因子

後實驗發現，各個氣體在臨界狀態時偏離理想氣體的程度大致相同。當實際氣體處於臨界點（臨界氣壓P_c，臨界溫度T_c，臨界摩爾體積V_m，c）時，定義此時的壓縮因子稱為臨界壓縮因子Z_C，將方程改寫為 ，測得多數氣體的臨界壓縮因子比較接近，0.25-0.31之間。臨界態是真實的，所以臨界參數均可測，可求的Z_c也相應列表可查_。

對比參數

為求出其數值Z，找出Z的普遍性規律，科學家思考：為避免氣體分子性質的不同而導致壓縮因子Z的不同，能否導出一個不具有氣體特性常數的方程呢？

隨後即引入對比氣壓P_r，對比溫度T_r，對比摩爾體積V_m，r，統稱為對比參數。其定義式為： ，這三個對比參數描述了氣體所處狀態與臨界狀態的偏離程度，而與氣體的本質無關。將 帶入方程改寫為 。

上面的方程式中右方第一項的臨界壓縮因子Z_c數值波動不大，可看作一個常數；而右方第二項三個參數可以根據對比態原理（不同物質如果具有相同的對比壓力p_r和對比溫度T_r，那么對比體積也相同）表示成兩個參數的函式式，下面根據這兩個參數得出的最為常見壓縮因子圖。

圖形

普遍化壓縮因子圖

荷根(Hougen)和華特生(Watson)測定了許多氣體有機物質和無機物質壓縮因子隨對比溫度T_r和對比壓力P_r變化的關係，繪製成曲線，所得關係圖稱為"普遍化壓縮因子圖"。見右圖。當實際氣體的臨界壓力p_c和臨界溫度T_c的數據為已知，可將某態下的壓力p和溫度T換算成相應的對比壓力p_r和對比溫度T_r，從圖中找出該對比態下的壓縮因子Z。再由下式計算氣體的摩爾體積V_m。

壓縮因子圖