气体

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January 20, 2022

气体是物质的四种基本状态之一(其他是固态、液态和等离子体)。纯气体可以由单个原子(例如氖等惰性气体)、由一种原子(例如氧)组成的元素分子或由不同原子形成的化合物分子(例如二氧化碳)组成。气体混合物包含各种纯气体,例如空气。气体与液体和固体的不同之处在于单个颗粒之间存在巨大的分离。这种分离通常会使人眼看不到无色气体。在电场和引力场存在下气体粒子的相互作用被认为可以忽略不计,在图中用等速矢量表示。一种众所周知的气体是蒸汽。物质的气态介于液态和等离子体状态之间,其中等离子体代表气体的温度上限。在温标下端的边界处是简并量子气体,它越来越受到关注。过冷至极低温度的高密度原子气体根据其统计行为分为玻色气体或费米气体。

元素气体

唯一在标准温度和压力 (STP) 下稳定的化学元素是多原子同核分子:氢 (H2)、氮 (N2) 和氧 (O2);加上两个卤素,氟 (F2) 和氯 (Cl2)。这些气体与单原子惰性气体:氦 (He)、氖 (Ne)、氩 (Ar)、氪 (Kr)、氙 (Xe) 和氡 (Rn) 归为一组,称为元素气体。或者,它们有时被称为“分子气体”,以将它们与同样是化合物的分子区分开来。

词源

气体一词最初是在 17 世纪早期由佛兰德化学家 J.B. 范赫尔蒙。Van Helmont 的词似乎只是希腊词 χάος Chaos 的音标——在荷兰语中发音为“loch”——在这种情况下,Van Helmont 只是遵循了最初在帕拉塞尔苏斯作品中使用的已建立的炼金术用途。根据帕拉塞尔苏斯的术语,混沌的意思是“超稀释的水”。另一种版本是范赫尔蒙特的词被 gahst(或 geist)腐蚀,意思是精神或精神。这是因为某些气体暗示了超自然起源,例如它们能够导致死亡、火焰的显现,以及它们出现在“矿井、井底、教堂墓地和其他僻静的地方”。

物理特性

由于许多气体难以直接检测,因此使用四种物理特性或宏观特征来描述它们:压力、体积、粒子数(化学家将它们分为摩尔数)和温度。罗伯特·博伊尔、雅克·查尔斯、约翰·道尔顿、约瑟夫·路易斯·格-利萨克和阿梅迪奥·阿伏加德罗等科学家已经对许多气体研究了这四个特征。他们的详细研究最终导致了这些特性之间数学关系的发展,这些特性表示为理想气体的定律(参见下面关于简化模型的部分)。气体粒子之间的间距很大,因此分子间作用力比液体和固体弱。这些分子间力是由气体粒子之间的静电相互作用引起的。不同气体粒子带相同电荷的表面被排斥,而不同气体粒子带相反电荷的区域相互吸引;含有永久带电离子的气体称为等离子体。具有极性共价键的气态化合物包含永久性电荷不平衡,因此具有相对较强的分子间作用力,尽管净分子电荷保持中性。沿分子的非极性共价键存在瞬态、随机感应电荷,由它们引起的静电相互作用称为范德华力。这些分子间力的相互作用在物质内变化,这决定了每种气体独有的许多物理特性。由离子键和共价键形成的化合物的沸点的比较得出了这个结论。图片中烟雾颗粒的运动可以让我们深入了解低压下的气体行为。与其他物质状态相比,气体具有低密度和粘度。压力和温度会影响一定体积内的粒子。这种分离和粒子速度的变化称为可压缩性。分离度和粒径会影响气体的光学特性,如折射率列表所示。最后,气体颗粒通过扩散过程相互分离,均匀分布在任何容器中。分离度和粒径会影响气体的光学特性,如折射率列表所示。最后,气体颗粒通过扩散过程相互分离,均匀分布在任何容器中。分离度和粒径会影响气体的光学特性,如折射率列表所示。最后,气体颗粒通过扩散过程相互分离,均匀分布在任何容器中。

宏观特性

观察气体时,通常采用参考系或长度标度。较大的范围尺度对应于气体的宏观或全局观点。该区域(称为体积)必须足够大以容纳大量气体粒子样本。对这种大小的样本进行的统计分析产生了该区域所有气体粒子的“平均”行为(即峰值、温度或压力)。相比之下,较小的尺度对应于微观或微粒视图。从宏观上讲,气体特性以气体粒子本身(速度、压力或温度)或它们的环境(体积)的形式进行测量。例如,罗伯特·博伊尔(Robert Boyle)在他职业生涯的一小段时间里研究了气动化学。他的一项实验与气体压力和体积的宏观特性有关。在他的实验中,使用了一个 J 管压力计,它看起来像一个字母 J 形状的管子。波义耳用一层汞将惰性气体困在管子的封闭端,从而达到恒定的粒子数和温度。他注意到随着气体压力的增加,通过向管道中添加汞,气体的体积会减少(这被称为反比)。 Boyle 还观察到,在每个实验中,压力和体积的乘积是恒定的。每种气体都保持这种关系,因此博伊尔制定了一个定律 (PVk),以他的名字命名,作为他对该领域贡献的标志。有许多数学工具可用于分析气体特性。当气体处于极端条件下时,这些工具会变得更加复杂,从用于非粘性流动的欧拉方程到用于完全描述粘性效应的 Navier-Stokes 方程。这些方程适用于给定气体系统的条件。 Boyle 的实验室设备能够使用代数来获得分析结果。他的结果是可能的,因为他研究了在相对较低压力下以“理想”方式表现的气体。这些理想的关系适用于使用各种材料的各种飞行条件的安全计算。当今使用的技术设备专为安全研究更奇特的操作环境而设计,在这些环境中,气体不再以“理想”方式运行。这些更复杂的计算,包括统计和多变量微积分,使得解决诸如车辆重新空间进入等复杂动态情况成为可能。例如航天飞机返回的分析如图所示。计算确保材料在这种应力条件下的特性是足够的。在这种飞行模式下,气体不再表现理想。

压力

方程中表示压力的符号是“p”或“P”,SI单位是帕斯卡。在描述气体容器时,术语压力(或绝对压力)是指气体施加在容器表面上的每单位面积的平均力。在那个体积下,有时更容易看到直线运动的气体粒子,直到它们与容器碰撞(参见文章顶部的图表)。碰撞过程中气体对容器粒子施加的力就是粒子的力矩变化。在碰撞过程中,只有正常速度分量发生变化。平行移动的粒子,因此壁不会改变其力矩。因此,平均表面力必须是所有碰撞的线性力矩的平均变化。压力是颗粒与容器壁碰撞所施加的力的所有法向分量的总和,除以壁面。

温度

方程式中用于表示温度的符号是 T,SI 单位为开尔文。气体粒子的速度与其绝对温度成正比。当捕获的气体颗粒通过将气球浸入极冷的氮气中而减慢时,图像中气球的体积会减小。任何物理系统的温度都与构成系统的粒子(分子和原子)的运动有关。在统计力学中,温度是粒子平均动能的量度。保存这种能量的方法取决于粒子本身的自由度(能量模式)。通过碰撞向气体粒子添加(在吸热过程中)的动能会产生线性、旋转和振动运动。相反,固体中的分子只能通过加热来增加其振动模式,因为晶格的结构阻止了它的线性和旋转运动。加热的气体分子具有更大的速度范围,由于与其他粒子的不断碰撞而不断变化。速度范围可以使用麦克斯韦-玻尔兹曼分布来描述。使用这种分布意味着在所考虑的粒子系统的热力学平衡附近存在理想气体。

比容

等式中用于表示特定体积的符号是“v”,SI 单位为立方米/千克。方程式中用于表示体积的符号是“V”,SI 单位为立方米。在热力学分析中,通常讨论密集和广泛属性。取决于气体量(按质量或体积)的性质称为广延性质,而不取决于气体量的性质称为强度性质。比容是强性质的一个例子,因为它是在平衡状态下在整个系统中相同的单位质量气体所占的体积之比。在给定的温度和压力下,一种气体的 1000 个原子与另一种气体的任何 1000 个原子占据相同的空间。这个概念在固体物质中更容易形象化,例如铁,它不像气体那样具有压缩性。由于气体充满了它所在的每个容器,因此体积是一个广泛的属性。

密度

公式中用于表示密度的符号是 ρ (ro),SI 单位为千克每立方米。该大小与特定体积成倒数。由于气体分子可以在容器中自由移动,因此它们的质量通常用密度表示。密度是物质每单位体积的质量,或特定体积的倒数。在气体中,当受到压力或体积的限制时,颗粒可以自由地相互接近,因此密度可以有很大的不同。这种密度变化称为可压缩性。与压力和温度一样,密度是气体的可变状态,任何过程中密度的变化都服从热力学定律。对于静态气体,整个容器的密度相同。因此,密度是一个标量。借助动力学理论可以证明,密度与封闭固定质量气体的容器的大小成反比。在质量固定的情况下,密度随着体积的增加而减小。

微观特性

如果可以在强大的显微镜下看到气体,您将看到一组没有任何确定形状或体积的粒子(分子、原子、离子、电子等),它们或多或少是随机移动的。这些中性气体粒子只有在与其他粒子或容器壁碰撞时才会改变方向。在理想气体中,这些碰撞是完全有弹性的。因此,粒子或气体的微观视图可以通过动力学分子理论来描述。该理论所基于的假设可以在动力学理论的假设中找到。

动力学理论

动力学理论通过考虑气体的分子组成和运动来洞察气体的宏观特性。从动量和动能的定义开始,立方体的矩守恒和几何关系可用于将宏观系统、温度和压力的性质与分子动能的微观性质联系起来。该理论提供了这两个属性的平均值。该理论还解释了气体系统如何响应变化。例如,从绝对零开始加热气体,当(理论上)它完全静止时,其内能(温度)会增加。随着气体加热,粒子加速并且其温度升高。由于温度升高导致粒子速度增加,这会导致单位时间内与容器发生更多碰撞。压力与单位时间内的碰撞次数成正比。

布朗运动

布朗运动是一种数学模型,用于描述悬浮在流体中的粒子的随机运动。使用紫色和绿色粒子的气体粒子动画说明了这种行为如何导致气体的传播(熵)。粒子理论也描述了这些事件。由于考虑单个气体粒子(原子或分子)是当今技术的边界(或外部),因此只有理论计算才能提供有关它们如何移动的建议。这种运动与布朗运动的不同之处在于布朗运动涉及众多气体分子的摩擦力的平滑撤回,这些摩擦力由单个(或多个)气体分子与粒子的急剧碰撞相交。粒子(通常由数百万或数十亿个原子组成)因此以可变的路线运动,尽管没有达到单个气体分子所预期的程度。

分子间作用力

粒子之间的瞬时吸引(或排斥)会影响气体动力学。在物理化学中,这些分子间作用力称为范德华力。这些力在确定气体的物理特性方面起着关键作用,例如粘度和流速(参见物理特性部分)。在某些条件下忽略这些圆角(参见动力学分子理论)允许将真实气体作为理想气体进行处理。这个假设允许使用理想气体定律,这大大简化了计算。充分利用这些气体比率需要符合动力学分子理论 (KMT)。当气体粒子具有磁荷或分子间作用力时,它们会逐渐相互影响,因为它们之间的距离减小了(氢键模型说明了一个这样的例子)。在没有电荷的情况下,当气体粒子之间的距离显着减小到某一点时,它们在正常气体温度下不再能够避免相互碰撞。增加气体粒子之间碰撞次数的另一种情况是固定体积的气体,加热后包含非常快的粒子。除了在极高压力(由于可压缩性)或高温(由于电离)的条件下,理想方程提供了相对较好的结果。这些特殊条件能够在气体系统内传递能量。不存在这些内部转移称为理想条件,其中能量仅在系统边界处进行交换。真实的气体会受到碰撞和分子间作用力的影响。当碰撞在统计上可以忽略不计(不可压缩条件)时,理想方程的解是有用的。如果气体粒子被高度压缩,它们的行为就像液体一样(参见流体动力学)。

简化模型

状态方程(对于气体)是用于粗略描述或预测气体状态特性的数学模型。到目前为止,还没有开发出一种独特的状态方程,可以在所有情况下准确预测所有气体的特性。因此,已经为特定温度和压力范围内的气体开发了许多精确的状态方程。最广泛考虑的“气体模型”是“完美气体”、“理想气体”和“真实气体”。这些模型中的每一个都有自己的一组假设,允许分析给定的热力学系统。每个连续的模型都扩展了它所应用的涂层的温度范围。

理想和完美的气体模型

理想或完美气体的状态方程是理想气体定律,公式为 PV n RT, {\ displaystyle PVnRT,} 其中 P 是压力,V 是体积,n 是气体的量(在摩尔单位),R 是通用气体常数,8,314 J / (mol K),T 是温度。以这种方式书写,有时被称为“化学版”,因为它强调分子数 n。也可以写成 P ρ R s T, {\ displaystyle P \ rho R_ {s} T,} 其中 R s {\ displaystyle R_ {s}} 表示给定气体的特定气体常数,单位为 J / (kg K),ρ m / V 是密度。这种表示法是“气体动力学”版本,它在模拟没有化学反应的情况下发生加速的气流时更实用。理想气体定律不对气体的比热作假设。在最一般的情况下,比热是温度和压力的函数。如果忽略特定应用中的压力依赖性(也可能是温度依赖性),有时会说气体是完美气体,尽管精确的假设可能因作者和/或科学领域而异。对于理想气体,理想气体定律在比热方面不受限制。理想气体是“真实气体”的简化,假设压缩系数 Z 的值为 1,这意味着该气动比保持恒定。压缩系数为 1 还假定四个可变状态遵循理想气体定律。这种近似更适合工程应用,尽管可以使用更简单的模型来生成实际解决方案应该在的近似范围。 “理想气体近似值”适用的一个例子是射流燃烧室的内部。它还可用于在排放计算中维持元素反应和化学分解。压缩系数为 1 还假定四个可变状态遵循理想气体定律。这种近似更适合工程应用,尽管可以使用更简单的模型来生成实际解决方案应该在的近似范围。 “理想气体近似值”适用的一个例子是射流燃烧室的内部。它还可用于在排放计算中维持元素反应和化学分解。压缩系数为 1 还假定四个可变状态遵循理想气体定律。这种近似更适合工程应用,尽管可以使用更简单的模型来生成实际解决方案应该在的近似范围。 “理想气体近似值”适用的一个例子是射流燃烧室的内部。它还可用于在排放计算中维持元素反应和化学分解。“理想气体近似值”适用的一个例子是射流燃烧室的内部。它还可用于在排放计算中维持元素反应和化学分解。“理想气体近似值”适用的一个例子是射流燃烧室的内部。它还可用于在排放计算中维持元素反应和化学分解。

真煤油

下面的每个假设都增加了问题解决方案的复杂性。随着压力增加导致密度增加,分子间力在气体行为中发挥越来越重要的作用,导致理想气体定律不再提供可用结果。在机器温度范围的上限(例如发生燃烧的部分 - 1300 K),完整的燃料颗粒通过旋转和振动吸收内能,从而导致其比热相对于双原子分子的值发生变化和惰性气体。在两倍以上的温度下,气体粒子的电子激发和解离开始发生,压力被调整为更多的粒子(从气体到等离子体的转变)。所有的热力学过程都被认为是指速度根据固定分布而变化的均匀气体。非平衡情况的使用意味着流场以某种方式被表征,以便可以找到方程的解。扩展理想气体定律极限的最初尝试之一是通过将方程调整为 pVn 常数的形式,然后通过不同的值(例如比热比,γ)改变 n 来支持各种热力学过程。实际气体的影响包括为考虑最广泛的气体行为而进行的调整:可压缩性影响(Z 可以变化约 1,0) 可变热容(比热随温度变化) 范德华力(在可压缩性的背景下,它们可以代替其他状态方程) 不平衡的热力学效应 分子解离和可变成分的基本反应问题。对于大多数应用,例如详细的分析是多余的。 “真正的气体效应”可以产生重大影响的情况的例子是航天飞机的进入,那里存在极高的温度和压力,或者在地质事件(如图中所示的堡垒火山爆发)期间产生的气体。存在极高温度和压力的地方,或在地质事件(例如图中所示的堡垒火山喷发)期间产生的气体。存在极高温度和压力的地方,或在地质事件(例如图中所示的堡垒火山喷发)期间产生的气体。

历史综合

波义耳定律

波义耳定律可能是状态方程的第一个表达式。 1662 年,罗伯特·博伊尔使用一端封闭的 J 形管进行了一系列实验。将汞加入管中,在管的短封闭端捕获固定量的空气。然后在向管中加入汞的同时仔细测量气体体积。气体压力可以通过管道的短开口端和长开口端的汞含量差异来确定。博伊尔的设备图片展示了他在气体研究中使用的一些奇特工具。通过这些实验,波义耳观察到在恒定温度下施加在气体上的压力随着气体体积的变化而相互变化。例如,如果体积减半,则压力加倍;如果体积增加一倍,压力就会减半。给定反压力体积比,对于给定质量的有限气体,只要温度恒定,压力 (P) 和体积 (V) 的乘积就是常数 (k)。由公式表示为: PV k {\ displaystyle PVk} 由于之前和之后的体积和压力都是指固定数量的气体,而温度不变,则可以写出以下等式: P 1 V 1 P 2 V 2. {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}只要温度恒定,对于给定质量的有限气体,压力 (P) 和体积 (V) 的乘积就是常数 (k)。由公式表示为: PV k {\ displaystyle PVk} 由于之前和之后的体积和压力都是指固定数量的气体,而温度不变,则可以写出以下等式: P 1 V 1 P 2 V 2. {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}只要温度恒定,对于给定质量的有限气体,压力 (P) 和体积 (V) 的乘积就是常数 (k)。由公式表示为: PV k {\ displaystyle PVk} 由于之前和之后的体积和压力都是指固定数量的气体,而温度不变,则可以写出以下等式: P 1 V 1 P 2 V 2. {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}由公式表示为: PV k {\ displaystyle PVk} 由于之前和之后的体积和压力都是指固定数量的气体,而温度不变,则可以写出以下等式: P 1 V 1 P 2 V 2. {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}由公式表示为: PV k {\ displaystyle PVk} 由于之前和之后的体积和压力都是指固定数量的气体,而温度不变,则可以写出以下等式: P 1 V 1 P 2 V 2. {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}可以写出以下等式:P 1 V 1 P 2 V 2。 {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}可以写出以下等式:P 1 V 1 P 2 V 2。 {\ displaystyle \ qquad P_ {1} V_ {1} P_ {2} V_ {2}.}

查尔斯定律

1787 年,法国物理学家和气球飞行先驱雅克·查尔斯 (Jacques Charles) 确定,氧气、氮气、氢气、二氧化碳和空气在 80 开尔文的间隔内均匀分布。他观察到,对于恒定压力下的理想气体,体积与温度成正比: V 1 T 1 V 2 T 2 {\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {T_ {1}}} {\ frac {V_ {2 }} {T_ {2}}}}

Gay-Lisak 定律

1802 年,Gay Lisak 发表了类似但更广泛的实验的结果。 Gay-Lisak 熟悉查尔斯早期的工作,并以他的名字命名了这项法律。 Gay-Lisak 的名字是描述压力的定律,他于 1809 年发表。根据该定律,理想气体施加在球场墙壁上的压力与温度成正比。P 1 T 1 P 2 T 2 {\displaystyle {\frac {P_{1}}{T_{1}}}{\frac {P_{2}}{T_{2}}}\,}

阿伏加德罗夫定律

1811 年,Amedeo Avogadro 证实等体积的纯气体包含相同数量的粒子。他的理论直到 1858 年才被广泛接受,当时意大利化学家斯坦尼斯劳·卡尼萨罗解释了非理想的例外。在他对气体的研究中,以他的名字命名的数字阿伏伽德罗常数表示 12 克元素碳 12 (6,022 × 1023 mol − 1) 中存在的原子数。在标准温度和压力下(理想气体定律),这个特定数量的气态 6 占据 22.40 升,称为摩尔体积。阿伏伽德罗定律指出,理想气体所占的体积与容器中存在的摩尔(或分子)数成正比。这公式化了术语气体摩尔体积,在 STP 上为 22.4 dm3(或升)。关系式为 V 1 n 1 V 2 n 2 {\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {n_ {1}}} {\ frac {V_ {2}} {n_ {2}}} \, } 其中 n 等于气体的摩尔数(分子数除以阿伏伽德罗数)。} 其中 n 等于气体的摩尔数(分子数除以阿伏伽德罗数)。} 其中 n 等于气体的摩尔数(分子数除以阿伏伽德罗数)。

道尔顿定律

1801 年,约翰道尔顿根据他关于理想气体关系的工作发表了分压定律:非反应性气体混合物的压力等于所有成分气体的压力之和。从数学上讲,这可以表示为 n 种类型: Pressuretotal Pressure1 + Pressure2 + ... + Pressure Dalton 日志的图像显示了他用来简明更新遵循的路径的符号系统。在混合非反应性“弹性流体”后,他的日志中的主要观察如下:与液体不同,较重的气体在混合后不会落到底部。气体粒子的特性在确定最终压力方面没有意义(它们的大小好像可以忽略不计)。

专题

可压缩性

热力学使用该因子 (Z) 来修改理想气体方程,以考虑实际气体的可压缩性影响。该系数代表实际比容和理想比容的比值。它有时被称为“fagge 因子”或校正,以扩展理想气体定律在设计中使用的有用范围。通常 Z 的值非常接近于 1。压缩系数图说明了 Z 在极冷温度范围内的变化情况。

雷诺数

在流体力学中,雷诺数是惯性力 (vsρ) 与粘性力 (μ / L) 的比值。它是动态流体中最重要的无量纲数之一,通常与其他无量纲数结合使用,为确定动态相似性提供一个标准。因此,雷诺数提供了建模结果(设计)与全尺寸实际条件之间的联系。它还可用于表征流动。

粘度

粘度是一种物理特性,是衡量相邻分子相互粘附程度的指标。由于其分子间力的强度,固体物质可以抵抗剪切力。流体在承受类似载荷时会不断变形。虽然气体的粘度值低于液体,但粘度仍然很明显。如果气体没有粘性,它们就不会粘附在机翼表面并形成边界层。Schlieren 图像中的三角翼研究表明气体粒子彼此粘附(参见边界层部分)。

湍流

在流体动力学中,湍流或湍流是一种流动状态,其特征是性质上的混沌、随机变化。这些包括低扩散矩、高对流矩以及压力和速度在空间和时间上的快速变化。

边界层

粒子往往会滞留在穿过它们的物体表面。这层粒子称为边界层。在物体的表面上,由于与表面的摩擦,它本质上是静止的。当物体接近时,物体及其边界层有效地具有其他分子“看到”的新形状。这个边界层可以分离表面,实质上是创建一个新的表面并完全改变流动路径。一个典型的例子是停止翼型。三角翼图像清楚地显示了气流沿前缘从右向左流动期间边界层的增厚。

最大熵原理

当自由度总数接近无穷大时,系统处于对应于最高多重性的宏观状态。为了说明这个原理,请看一下冷冻金属棒的表面温度。利用表面温度的热图像,可以观察到表面的温度分布。这种对温度的初步观察代表了“微观状态”。在未来的某个时间,第二次表面温度观察会产生不同的微观状态。继续这个观察过程,可以产生一系列微观状态来说明边缘表面的热历史。通过选择成功地将它们分类为单个组的宏观状态,可以表征这一系列宏观状态历史。

热力学平衡

当系统的能量转移停止时,这种状态称为热力学平衡。通常这些条件意味着系统和环境处于相同的温度,因此它们之间不再传递热量。这也意味着外力是平衡的(因此体积没有变化),并且系统内的所有化学反应都完成了。这些事件的时间顺序因相关系统而异。由冰制成的容器在室温下融化需要数小时,而在半导体中,在设备从开启状态转换到关闭状态时发生的热传递可能需要几纳秒。

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贵重气体 Efusion,气体分子的流动类型 温室气体 天然气 火山气体 呼吸风

参考

文学

外部链接