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元素氣體

在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為氣體分子的化學(xué)元素有氫（H 2 ）、氮（N 2 ）、氧（O 2 ）和兩種鹵素，分別是氟（F 2 ）和氯（Cl 2 ）。另外還有單原子的稀有氣體：氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。

物理性質(zhì)

煙的顆粒提供了周圍氣體運(yùn)動(dòng)的線索。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)氣體很難直接觀察，他們常被通過其四個(gè)物理屬性或宏觀性質(zhì)來描述：壓強(qiáng)、體積、粒子數(shù)目（化學(xué)家用摩爾來表示）和溫度。這四個(gè)屬性被許多科學(xué)家（如羅伯特·波義耳、 雅克·查理 （ 英語(yǔ) ： Jacques Charles ） 、約翰·道爾頓、約瑟夫·路易·蓋-呂薩克、阿莫迪歐·阿伏伽德羅等）通過不同的氣體和不同的裝置來反復(fù)觀察過。他們的仔細(xì)研究最終形成了描述這些屬性的數(shù)學(xué)關(guān)系的理想氣體定律。

宏觀屬性

當(dāng)觀察氣體時(shí)，一般會(huì)指明參考物或長(zhǎng)度尺度。 較大 的長(zhǎng)度尺度對(duì)應(yīng)著氣體的宏觀屬性或是總體看法。其范圍（可指體積）至少要能容納大量的氣體粒子。對(duì)如此采樣尺寸的氣體的統(tǒng)計(jì)分析會(huì)得到樣品內(nèi)所有氣體粒子的 平均 屬性（例如速度，溫度，壓強(qiáng)等）。相反，一個(gè)較小的參考長(zhǎng)度尺度對(duì)應(yīng)著氣體的微觀屬性或是粒子層面的看法。

壓力

在公式中常用 "p" 或 "P" 來表示氣體壓力，其單位則常為國(guó)際單位制中的帕斯卡（Pa）。

在描述一個(gè)有容器的氣體時(shí)，壓力（或是絕對(duì)壓力）是在氣體作用在容器表面上，單位面積所施的力，在此空間內(nèi)，可以視為氣體粒子會(huì)直線運(yùn)動(dòng)，直到和其他分子或是容器壁碰撞為止。若和容器壁碰撞，單位時(shí)間內(nèi)氣體粒子動(dòng)量的變化就是氣體作用在容器上的力 ，在碰撞過程中，只有垂直容器壁的氣體粒子速度分量會(huì)變化，若氣體粒子是沿著容器壁運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)量不會(huì)變化。因此容器壁受到的力就是和容器壁碰撞的氣體粒子其動(dòng)量變化的平均值。

壓力是所有碰撞容器壁的氣體粒子，其產(chǎn)生的力除以容器壁總面積后的值。

溫度

"> 播放媒體 空氣團(tuán)在浸入液氮后縮小。

在公式中常用 "T" 來表示氣體溫度，其單位則常為國(guó)際單位制中的開爾文（K）。

氣體粒子的速度和其絕對(duì)溫度成正比。在右邊的影片中，當(dāng)氣球放進(jìn)液態(tài)氮中時(shí)，因?yàn)闇囟冉档停瑲怏w粒子速度變慢，氣球體積也隨之縮小。氣體系統(tǒng)的溫度和其中粒子（原子或分子）的運(yùn)動(dòng)有關(guān) 。在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中，溫度可以表示儲(chǔ)存在粒子中的平均動(dòng)能。儲(chǔ)存能量的方式和粒子的自由度有關(guān)。借由氣體粒子碰撞，粒子產(chǎn)生平移、旋轉(zhuǎn)或是振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能也隨之提高。相反的，固體中的分子因?yàn)樵诰Ц裰?，無(wú)法有平移或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，只能以振動(dòng)的方式提高溫度。加熱的氣體，因?yàn)槌掷m(xù)和容器或其他氣體粒子碰撞，其速度分布范圍較大，可以用麥克斯韋-玻爾茲曼分布描述，此時(shí)會(huì)假設(shè)氣體粒子近似為接近熱力學(xué)平衡狀態(tài)下的理想氣體。

比容

在公式中常用 "v" 來表示氣體比容，其單位則常為國(guó)際單位制中的立方米每千克（m /kg）。表示氣體體積常用 "V" ，其單位常為立方米（m ）。

在描述熱力學(xué)性質(zhì)時(shí)，會(huì)將性質(zhì)區(qū)分內(nèi)含及外延性質(zhì)。和氣體的量（體積或是質(zhì)量）有關(guān)的量稱為外延性質(zhì)，和氣體的量（體積或是質(zhì)量）無(wú)關(guān)的量稱為內(nèi)含性質(zhì)。比容是內(nèi)含性質(zhì)，是熱平衡時(shí)，單位質(zhì)量氣體的體積 。氣體的體積和氣體量有關(guān)，因此是外延性質(zhì)。

固態(tài)和液體的比容會(huì)隨壓力或溫度而有輕微的變化，但壓力或溫度改變時(shí)，氣體的比容會(huì)有顯著的變化，溫度相同的氣體，當(dāng)壓力減半時(shí)，其比容會(huì)加倍，因此氣體具有壓縮性。

密度

在公式中常用 ρ 來表示氣體密度，其單位則常為國(guó)際單位制中的千克每立方米（kg/m ），為比容的倒數(shù)。

由于氣體分子常會(huì)裝在容器中移動(dòng)，其質(zhì)量一般會(huì)用密度來表示。密度是單位體積下的質(zhì)量，也是比容的倒數(shù)。氣體密度變化的范圍很大．因?yàn)楫?dāng)受到壓力或體積的限制時(shí)，氣體分子之間可以靠得更近。密度的變化即為可壓縮性，氣體的密度和壓力及溫度都是狀態(tài)變數(shù)，在過程中的變化會(huì)依照熱力學(xué)的定律。針對(duì)靜態(tài)氣體而言，氣體的密度在整個(gè)容器中是相同的。密度是一標(biāo)量，若是固定質(zhì)量氣體，密度和容器的體積成反比。

微觀屬性

分子運(yùn)動(dòng)論

分子運(yùn)動(dòng)論通過考慮氣體顆粒的成分和運(yùn)動(dòng)來對(duì)氣體的宏觀屬性提供一個(gè)內(nèi)在的視角。

布朗運(yùn)動(dòng)

氣體粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，一開始上方和下方是不同的氣體，但最后可以看出氣體的擴(kuò)散

布朗運(yùn)動(dòng)是描述流體中粒子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。右圖動(dòng)畫中粉紅色和綠色的粒子說明氣體運(yùn)動(dòng)的方式。

分子間作用力

當(dāng)氣體被壓縮時(shí)，分子間作用力開始顯示更大的作用。

氣體顆粒間短暫的吸引（或排斥）對(duì)氣體動(dòng)力學(xué)會(huì)有影響。在物理化學(xué)中，給這類分子間作用力一個(gè)名稱叫“范德華力”。這種力在決定氣體的物理屬性（比如粘性和流速）時(shí)很重要。在特定條件下（參見分子動(dòng)力學(xué)理論）忽略這種力使得真實(shí)氣體可以被當(dāng)作理想氣體看待，從而可以使用理想氣體定律做簡(jiǎn)化計(jì)算。

模型

理想氣體

理想氣體 為假想的 氣體 。其特性為：

氣體分子間無(wú)作用力

氣體分子本身不占有體積

氣體分子與容器器壁間發(fā)生完全彈性碰撞

只有在溫度高和壓力極低的情況下，分子間距離大大增加，分子間作用力趨向于零，實(shí)際氣體才接近于理想氣體。而像He、H 2 、O 2 、N 2 這樣的氣體，不易液化，在常溫常壓下的性質(zhì)也近似于理想氣體。

理想氣體遵守理想氣體狀態(tài)方程式 ：

其中 P 、 V 、 n 和 T 分別是壓力、體積、氣體摩爾數(shù)及絕對(duì)溫度， R 為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(mol K)。

真實(shí)氣體在愈低壓、愈高溫的狀態(tài)，性質(zhì)愈接近理想氣體。最接近理想氣體的氣體為氦氣。常溫常壓下的空氣也近似理想氣體。

真實(shí)氣體

真實(shí)氣體一般是指有以下的特性，不能用理想氣體簡(jiǎn)化的氣體：

壓縮因子Z不為1。

比容會(huì)隨溫度而改變。

非平衡態(tài)熱力學(xué)下的氣體。

氣體粒子之間的范德華力不能忽略。

氣體粒子有離解，或是和其他粒子發(fā)生基元反應(yīng)。

歷史成果

氣體形態(tài)可通過其體積、溫度和其壓強(qiáng)所影響。這幾項(xiàng)要素構(gòu)成了多項(xiàng)氣體定律，而三者之間可以互相影響：

波義耳定律

波義耳的實(shí)驗(yàn)裝置

波義耳定律是指在一定溫度下，氣體體積增大時(shí)，其壓強(qiáng)必減小。這可用以下公式表達(dá) ：

V = k P {\displaystyle V={\frac {k}{P}}}

這里

V 是指氣體的體積

P 指壓強(qiáng)

k 為一常數(shù)

查理定律

查理定律是指當(dāng)壓力保持固定時(shí)，氣體體積與其溫度成正比。即是氣體溫度一增加，其體積也隨之而增大。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ：

V 1 T 1 = V 2 T 2 {\displaystyle {V_{1} \over T_{1}}={V_{2} \over T_{2}}}

這里

V 是指氣體的體積

T 指溫度，單位為絕對(duì)溫標(biāo)K

蓋-呂薩克定律

蓋-呂薩克定律是指一固定容器內(nèi)的理想氣體，其壓力和溫度成正比

這里

P 是指氣體的壓力

T 指溫度，單位為絕對(duì)溫標(biāo)K

亞佛加厥定律

亞佛加厥定律是指相同溫度及壓力的理想氣體，其體積和其摩爾數(shù)成正比，由此可得氣體的摩爾體積，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下是22.4升。氣體體積和摩爾數(shù)的關(guān)系如下 ：

其中n等于氣體的摩爾數(shù)（總分子數(shù)除以亞佛加厥數(shù)）

道爾頓分壓定律

道耳吞定律是指不會(huì)反應(yīng)的理想氣體混合物，其總壓力等于各氣體分壓的和，若有 n 種氣體，可以表示為下式 ：

特殊主題

可壓縮性

空氣的可壓縮系數(shù)圖

熱力學(xué)家利用可壓縮系數(shù)（ Z ）來調(diào)整理想氣體方程式，考慮真實(shí)氣體可壓縮性的影響?？蓧嚎s系數(shù)是實(shí)際比容和理想比容之間的比例。一般而言其數(shù)值很接近1，可壓縮系數(shù)圖描述可壓縮系數(shù)和溫度之間的變化。

雷諾數(shù)

在流體機(jī)械上，雷諾數(shù)是慣性力（ v s ρ ）和粘滯力（ μ/L ）之間的比例，是流體力學(xué)中最重要的無(wú)因次量，常和其他無(wú)因次量配合使用來提供動(dòng)態(tài)相似性的準(zhǔn)則。雷諾數(shù)可以提供模型和全尺寸的實(shí)際條件之間的相關(guān)性，也常用來作為流體的分類。

黏度

黏度是有關(guān)相鄰粒子之間影響程度的物理量。固體因?yàn)閮?nèi)部的分子間作用力，可以承受剪力，流體在類似的剪力下則會(huì)持續(xù)的變形，氣體的黏度比液體小，不過仍可以觀測(cè)到黏度的影響，若是氣體沒有黏度，就不會(huì)黏在機(jī)翼的表面形成邊界層。一個(gè)有關(guān)三角翼紋影照相的研究可以看出氣體分子之間會(huì)粘在一起（參照“邊界層”一節(jié)）。

紊流

在風(fēng)洞中的三角翼，當(dāng)氣體在機(jī)翼前端被壓縮時(shí)，折射系數(shù)變化，產(chǎn)生陰影

紊流是指流場(chǎng)有隨機(jī)的、混沌的變化，包括少量的動(dòng)量擴(kuò)散，大量的動(dòng)量對(duì)流，壓力和速度在空間和時(shí)間上有快速的變化。

邊界層

當(dāng)氣體粒子沿著一物體表面流過時(shí)，有些粒子會(huì)因物體表面而速度變慢，好像粘在物體表面一樣，這稱為邊界層。主要是因?yàn)楸砻娴哪Σ亮υ斐?。物體和上面的邊界層會(huì)影響后面的流體，而邊界層也會(huì)和物體表面分離，形成新的表面，并且改變流體流動(dòng)的路徑。像飛機(jī)的失速就是因?yàn)檫吔鐚臃蛛x使得機(jī)翼的升力下降。

熱力學(xué)平衡

當(dāng)系統(tǒng)中沒有能量轉(zhuǎn)移時(shí)，此系統(tǒng)已達(dá)到熱力學(xué)平衡。一般而言此時(shí)系統(tǒng)和周圍的溫度相同，因此不會(huì)有熱的轉(zhuǎn)移。這也表示外力是平衡的，系統(tǒng)體積不會(huì)變化，系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)也已完成。熱力學(xué)平衡需要的時(shí)間隨系統(tǒng)而不同，像冰塊在室溫下約花幾個(gè)小時(shí)才能融化，在半導(dǎo)體內(nèi)，一元件由開到關(guān)產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)移可能只需要數(shù)納秒的時(shí)間。

參見

固體→融化→液體→氣化→ 氣體

固體←凝固←液體←液化← 氣體

氣體 ←升華←固體←凝華← 氣體

參考文獻(xiàn)

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