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(原创)理想气体状态方程  

2008-03-14 20:31:54|  分类: 科学的皇后 |  标签: |举报 |字号 订阅

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对于热力学体系,常常用压强和体积等独立参量描述其状态。对于理想气体,热平衡情况下的状态方程为:

p=nkT

其中,p为理想气体的压强,单位为帕;T为绝对温度,单位为开;n为气体分子数密度,单位为1/立方米;k为玻尔兹曼常量,单位为焦/开。

理想气体状态方程表明:当热力学体系内分子数密度n一定时,气体的压强p与温度T成正比。

如果理想气体体积为V立方米,其中气体分子总数为N,则分子数密度n=N/V,理想气体状态方程也可以写成:

pV=NkT      或   pV/T=Nk

状态方程表明:当理想气体分子总数N一定时,代数式pV/T的值是个常量,即保持不变。

比如,自行车轮胎内的气体体积V一定,冬天气温T较低时,压强p也会小一点,看上去轮胎瘪一点;夏天气温T较高时,内部气体压强p也会增大,轮胎会饱满一些,事实上体积V也会膨胀。如果夏天太阳曝晒得气温T过高,压强p和体积V膨胀得超过轮胎橡胶的承受能力,就会爆胎。

理想气体状态方程揭示了热力学体系的三个状态参量――压强p、体积V和温度T――相互约束的客观规律。因此,该方程式被英国科学期刊《物理世界》2004年10月号公布为读者选出的科学界历来“最伟大的公式”之一,并且名列第12。

绝对的理想气体是不存在的。在实际气体中,当分子的线度远远小于分子之间的平均距离时,分子本身占有的空间体积可以忽略不计;大量分子在不停地进行着无规热运动,当分子之间、分子与容器壁之间的碰撞可以视为弹性碰撞时;当热力学体系内的能量只考虑分子运动的动能时;假定分子运动遵从经典力学规律时,该体系可看作理想气体。

实际上一般气体在分子总数足够多、分子数密度不太高、压强不太大(与大气压比较)和温度不太低(与室温比较)的条件下,体系处于平衡状态下的状态函数都基本满足理想气体状态方程。

(作者:周法哲2008-3-14于广东) 

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