气体实验定律和理想气体的定义

气体实验定律

气体实验定律，即关于气体热学行为的5个基本实验定律，也是建立理想气体概念的实验依据。这5个定理分别是：①玻意耳定理、②盖·吕萨克定律、③查理定律、④阿伏伽德罗定律、⑤道耳顿定律。

①玻意耳定律

一定质量的气体，当温度保持不变时，它的压强p和体积V的乘积等于常量，即

pV＝常量式中常量由气体的性质、质量和温度确定。

②盖·吕萨克定律

一定质量的气体，当压强保持不变时，它的体积V随温度t线性地变化，即

V＝V0(1＋avt)式中V0，V分别是0℃和t℃时气体的体积；av是压力不变时气体的体膨胀系数。实验测定，各种气体的av≈1／273°。

③查理定律

一定质量的气体，当体积保持不变时，它的压力p随温度t线性地变化，即p＝p0(1＋apt)式中p0，p分别是0℃和t℃时气体的压强，ap是体积不变的气体的压力温度系数。实验测定，各种气体的ap≈1／273°。

实验表明，对空气来说，在室温和大气压下，以上三条定律近似正确，温度越高，压力越低，准确度越高；反之，温度越低，压力越高，偏离越大。(以空气为例，在0℃，若压强为1大气压时体积为1升，即pV等于1大气压·升，则当压力增为500和1000大气压时，pV乘积增为1.34和1.99大气压·升，有明显差别。)另外，同种气体的av、ap都随温度变化，且稍有差别；不同气体的av、ap也略有不同。温度越高，压力越低，这些差别就小，常温下在压力趋于零的极限情形，对于一切气体，av＝ap＝1／273.15°。

④阿伏伽德罗定律

在相同的温度和压力下，1摩尔任何气体都占有同样的体积。在T0＝273.15K和p0＝1大气压的标准状态下，1摩尔任何气体所占体积为V0＝22.41410×10-3米3／摩尔(m3·mol-1)。它也可表述为：在相同的温度和压力下，相同体积的任何气体的分子数(或摩尔数)相等。在标准状态下，单位体积气体的分子数即J.洛喜密脱常量为n0＝2.686773×1025m-3，因此，1摩尔

气体所含分子数为

NA＝6.0221367×1023 mol-1称为阿伏伽德罗常量。根据摩尔的定义，组成物质系统的基本单元可以是原子，分子，也可以是离子，电子，其他粒子或这些粒子的特定组合。因此，阿伏伽德罗定律也可推广为，1摩尔任何物质所包含的基本单元数都等于阿伏伽德罗常量。

以上讨论限于化学纯气体。

⑤道耳顿定律

混合气体的压力等于各成分的分压力之和。某一成分的分压力是指该成分单独存在时（即在与混合气体的温度、体积相同，且与混合气体中所含该成分的摩尔数相等的条件下，以化学纯状态存在时）的压力。

以上5个气体实验定律分别是1662年R.玻意耳，1802年盖·吕萨克，1785年J.A.C.查理，1811年A.阿伏伽德罗，1802年J.道耳顿提出的。

理想气体

①定义

定义1：一种具有以下特点的气体：(1)服从马略特和盖-吕萨克定律，因而满足理想气体的状态方程。(2)内能仅是温度的函数。(3)比热容与温度无关。

定义2：严格遵守理想气体状态方程pV=nRT的假想气体。

理想气体

严格遵从气态方程(PV=(m/M)RT=nRT)的气体，叫做理想气体.有些书上，指符合气体三大定律的气体。)从微观角度来看是指：分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的气体，称为是理想气体。

分子本身不占有体积,分子之间没有作用力,实际不存在的假想气体。当温度不是很低或很高、压力不是很低或很高，或没有其他特殊条件时，一般气体均可视为理想气体。

②拓展

理想气体应该是这样的气体：

1、分子体积与气体体积相比可以忽略不计；

2、分子之间没有相互吸引力；

3、分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失。

4、在容器中，在未碰撞时考虑为作匀速运动，气体分子碰撞时发生速度交换，无动能损失。

5、解热学题的时候，简单的认为是分子势能为零，分子动能不为零。

6、理想气体的内能是分子动能之和。

气态方程全名为理想气体状态方程，一般指克拉珀龙方程：pV=nRT。其中p为压强，V为体积，n为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度（T的单位为开尔文(字母为K)，数值为摄氏温度加273.15，如0℃即为273.15K）。

当p，V，n，T的单位分别采用Pa(帕斯卡)，m3(立方米)，mol，K时，R的数值为8.31。该方程严格意义上来说只适用于理想气体，但近似可用于非极端情况（低温或高压）的真实气体（包括常温常压）。

另外指的是克拉珀龙方程来源的三个实验定律：玻-马定律、盖·吕萨克定律和查理定律，以及直接结论pV/T=恒量。

波义耳-马略特定律：在等温过程中，一定质量的气体的压强跟其体积成反比。即在温度不变时任一状态下压强与体积的乘积是一常数。即p1V1=p2V2。

盖·吕萨克定律：一定质量的气体，在压强不变的条件下，

温度每升高（或降低）1℃，它的体积的增加（或减少）量等于0℃时体积的1/273。

查理定律指出，一定质量的气体，当其体积一定时，它的压强与热力学温度成正比。即P1/P2＝T1/T2或pt＝P′0（1＋t/273），式中P′0为0℃时气体的压强，t为摄氏温度。

综合以上三个定律可得pV/T=恒量，经实验可得该恒量与气体的物质的量成正比，得到克拉珀龙方程。

说明

1、理想气体又称“完全气体”

理想气体是理论上假想的一种把实际气体性质加以简化的气体。人们把假想的，在任何情况下都严格遵守气体三定律的气体称为理想气体。就是说：一切实际气体并不严格遵循这些定律，只有在温度较高，压强不大时，偏离才不显著。所以一般可认为温度大于500K或者压强不高于1.01×105帕时的气体为理想气体。

2、理想气体是一种理想化的模型

实际并不存在。实际气体中，凡是本身不易被液化的气体，它们的性质很近似理想气体，

其中最接近理想气体的是氢气和氦气。一般气体在压强不太大、温度不太低的条件下，它们的性质也非常接近理想气体。因此常常把实际气体当作理想气体来处理。这样对研究问题，尤其是计算方面可以大大简化。

3、气体处于高压或者低温条件下

它们的状态变化就较显著地偏离气态方程，对方程需要按实际情况加以修正。修正的方法很多，过去常用的一种修正方程叫做范德瓦耳斯方程。它是以考虑分子间的相互作用以及分子本身的体积为前提，对理想气体状态方程进行修正的。现在已经退出历史舞台，常用的有方程。

在各种温度、压强的条件下，其状态皆服从方程pV=nRT的气体。又称完美气体。它是实际气体在压强不断降低情况下的极限，或者说是当压强趋近于零时所有气体的共同特性，即零压时所有实际气体都具有理想气体性质。pV=nRT称为理想气体状态方程，或称理想气体定律。在n、T一定时，则pV=常数，即其压强与体积成反比，这就是波义耳定律。若n、p一定，则V/T=常数，即气体体积与其温度成正比，就是盖·吕萨克定律。理想气体在理论上占有重要地位，而在实际工作中可利用它的有关性质与规律作近似计算。

③理想气体状态方程

设某一容器内有一定的质量为M，摩尔质量为μ的理想气体，初始的平衡状态为

，在状态发生改变后，过渡到新的平衡态，其中间可以经过各种不同的过程。由气体的实验定律可以推导出气体在初、末两个平衡态的六个状态参量的关系为

(1)

上式(1)即为理想气体状态方程的初步形式。关系式(1)不仅适用于、两个平衡态，还可推广到其他任何平衡态，即

恒量

其中为标准状态下气体的状态参量。由阿伏伽德罗定律，在，

时，1mol任何气体的体积都为，则摩尔数为的理想气体在标准状态下的体积为，代入上式，可得

我们引进一个对任何气体都普遍适用的常量R，称为普适气体常量：

则上式可写成简单的形式：

(2)

上式表示了理想气体在任一平衡态下各宏观状态参量之间的关系，称为理想气体状态方程。

理想气体状态方程还可以化为另一种常用的形式,即

(3)

其中n为单位气体体积内分子的个数，称为气体分子数密度；

称为玻耳兹曼常量，而称为阿伏加德罗常量。

理想气体状态方程，也称理想气体定律或克拉佩龙方程，描述理想气体状态变化规律的方程。质量为m，摩尔质量为M的理想气体，其状态参量压强p、体积V和绝对温度T之间的函数关系为pV=mRT/M=nRT

式中M和n分别是理想气体的摩尔质量和物质的量；R是气体常量。对于混合理想气体，其压强p是各组成部分的分压强p1、p2、……之和，故pV=（p1+ p2+……）V=(n1+n2+……)RT，式中n1、n2、……是各组成部分的摩尔数。

以上两式是理想气体和混合理想气体的状态方程，可由理想气体严格遵循的气体实验定律得出，也可根据理想气体的微观模型，由气体动理论导出。在压强为几个大气压以下时，各种实际气体近似遵循理想气体状态方程，压强越低，符合越好，在压强趋于零的极限下，严格遵循。