理想氣體

理想氣體（ideal gas） 研究氣體性質的一個物理模型。

從微觀上看，理想氣體的分子有質量，無體積，是質點；每個分子在氣體中的運動是獨立的，與其他分子無相互作用，碰到容器器壁之前作勻速直線運動；理想氣體分子只與器壁發生碰撞，碰撞過程中氣體分子在單位時間裡施加於器壁單位面積衝量的統計平均值，巨觀上表現為氣體的壓強。

從巨觀上看.理想氣體是一種無限稀薄的氣體，它遵從理想氣體狀態方程和焦耳內能定律。

基本介紹

• 中文名：理想氣體
• 外文名：Ideal gas
• 定義：嚴格遵從氣態方程的氣體
• 氣態方程：pV=nRT

定義

忽略氣體分子的自身體積，將分子看成是有質量的幾何點；假設分子間沒有相互吸引和排斥，即不計分子勢能，分子之間及分子與器壁之間發生的碰撞是完全彈性的，不造成動能損失。這種氣體稱為理想氣體。

嚴格遵從氣態方程(PV=(m/M)RT=nRT)(n為物質的量）的氣體，叫做理想氣體(Ideal gas.有些書上，指嚴格符合氣體三大定律的氣體。）從微觀角度來看是指：氣體分子本身的體積和氣體分子間的作用力都可以忽略不計，不計分子勢能的氣體稱為是理想氣體。

概述

氣態方程全名為理想氣體狀態方程，一般指克拉伯龍方程：pV=nRT。其中p為壓強，V為體積，n為物質的量，R為普適氣體常量，T為絕對溫度（T的單位為開爾文(字母為K)，數值為攝氏溫度加273.15,如0℃即為273.15K）。（當p，V，n，T的單位分別採用Pa(帕斯卡)，m³(立方米)，mol，K時，R的數值為8.31J/(mol*K)。）

該方程嚴格意義上來說只適用於理想氣體，但近似可用於非極端情況（高溫低壓）的真實氣體（包括常溫常壓）。

性質

1.分子體積與氣體分子之間的平均距離相比可以忽略不計；

2.分子之間沒有相互作用力，不計分子勢能；

3.分子之間及分子與器壁之間發生的碰撞不造成動能損失；

4.在容器中，在未碰撞時考慮為作勻速運動，氣體分子碰撞時發生速度交換，無動能損失；

5.理想氣體的內能是分子動能之和。

推導

指的是克拉伯龍方程來源的三個實驗定律：玻(意耳）-馬（略特）定律、查理定律和蓋·呂薩克定律，以及直接結論pV/T=常量。

波意耳-馬略特定律：在等溫過程中，一定質量的氣體的壓強跟其體積成反比。即在溫度不變時任一狀態下壓強與體積的乘積是一常數。即p₁·V₁=p₂·V₂=C₁（常量）。

查理定律：一定質量的氣體，在壓強不變的條件下， 　溫度每升高（或降低）1℃，它的體積的增加（或減少）量等於0℃時體積的1/273。即V₁/T₁=V₂/T₂=C₂（常量）。

蓋·呂薩克定律：一定質量的氣體，當其體積一定時，它的壓強與熱力學溫度成正比。即 　P₁/T₁=P₂/T₂=C₃（常量） 或pt=P′₀（1+t/273） 　式中P′0為0℃時氣體的壓強，t為攝氏溫度。

綜合以上三個定律可得pV/T=常量，這個稱為聯合氣體方程。在此基礎再加上阿伏伽德羅定律定律即V/n=恆量（n表示摩爾數），得到理想氣體狀態方程。

說明

理想氣體

在各種溫度、壓強的條件下，其狀態皆服從方程pV=nRT的氣體稱理想氣體(ideal gas)，是理論上假想的一種把實際氣體性質加以簡化的氣體。人們把假想的，在任何情況下都嚴格遵守氣體三定律的氣體稱為理想氣體。就是說：一切實際氣體並不嚴格遵循這些定律，只有在溫度較高，壓強不大時，偏離才不顯著。所以一般可認為溫度大於500K或者壓強不高於1.01×10^5帕時的氣體為理想氣體。

進一步說，理想氣體是實際氣體在壓強不斷降低情況下的極限，或者說是當壓強趨近於零時所有氣體的共同特性，即零壓時所有實際氣體都具有理想氣體性質。在n、T一定時，則pV=常數，即其壓強與體積成反比，這就是波意耳定律（Boyle's law)。若n、p一定，則V/T=常數，即氣體體積與其溫度成正比，就是蓋·呂薩克定律（J.L.Gay-Lus-sac's law)。理想氣體在理論上占有重要地位，而在實際工作中可利用它的有關性質與規律作近似計算。

模型

理想氣體是一種理想化的模型，實際並不存在。實際氣體中，凡是本身不易被液化的氣體，它們的性質很近似理想氣體，其中最接近理想氣體的是氫氣和氦氣。一般氣體在壓強不太大、溫度不太低的條件下，它們的性質也非常接近理想氣體。因此常常把實際氣體當作理想氣體來處理。這樣對研究問題，尤其是計算方面可以大大簡化。

高壓低溫

高壓或低溫氣體的狀態變化就較顯著地偏離氣態方程，對方程需要按實際情況加以修正。修正的方法很多，過去常用的一種修正方程叫做范德華方程。它是以考慮分子間的相互作用以及分子本身的體積為前提，對理想氣體狀態方程進行修正的。 已經退出歷史舞台，常用的有virial,rk,srk,qr方程。

套用

1．求平衡態下的參數

2．兩平衡狀態間參數的計算

3．標準狀態與任意狀態或密度間的換算

4．氣體體積膨脹係數

理想氣體對外膨脹可以分為兩種情況：一、理想氣體周圍有其他物體。二、理想氣體自由膨脹，即周圍沒有其他物體。第一種情況下，理想氣體做功。第二種情況下，不做功。如果兩個容器相連，其中一個容器內充滿理想氣體，另一個容器內是真空，將兩個容器相連後理想氣體膨脹充滿兩個容器，此時，理想氣體不做功。一般情況下，如不做特別說明，則認為氣體對外膨脹做功。

一般情況下 ,理想氣體狀態方程的常用形式有兩種 :pV/T =p′V′/T′ ①pV =(m/M)RT②（M為氣體摩爾質量）。當某種理想氣體從一個平衡態變化到另一個平衡態時 ,只要變化前後氣體的質量沒有增減 ,用①式解題比較方便。當所研究的氣體涉及到質量和質量變化問題時 ,用②式求解比較簡便。但在教學套用中發現 ,學生普遍對理想氣體狀態方程“PV/T =恆量”中“恆量”的物理意義理解不深 ,進而對玻意耳—馬略特定律、蓋·呂薩克定律、查理定律的認識也欠深刻 ,對一些稍加變形的氣態方程問題求解困難。在克服物理教學中這一難點時 ,應從分析氣體定律中“恆量”的物理意義開始解題。