1气体力学分析
气体单位体积分子数和单位时间碰撞单位面积容器壁的分子数一样吗？
气体单位体积分子数和单位时间碰撞单位面积容器壁的分子数一样吗？气体对容器壁的压强是由气体分子在做热运动时，频繁的碰撞容器壁对容器壁产生压力而形成的。
微观上，影响气体压强的有两个因素：单位时间碰撞单位面积容器壁的分子数和单个分子的撞击力。
很多同学在理解影响气体压强的因素的时候，常常出现这样的误解，认为气体单位体积分子数和单位时间碰撞单位面积容器壁的分子数是相同的，实际上，这两个量是有区别的。
从力学上分析气体压强，设单位时间碰撞单位面积容器壁分子数（N），由于每个分子运动速率不同，可以取分子撞击容器壁的平均力作为单个分子每次碰撞器壁的冲击力（F0），气体压强可表示为P= ，取单位面积即S=1时P=NF0。
所以气体压强的大小由这两个因素共同决定。
单位体积分子数（n）也叫分子密度，数值上等于分子总数除以气体体积，当气体质量不变时，气体单位体积内分子数在宏观上仅仅由气体体积决定。
如果气体质量不变，那么气体分子总数不变，气体体积减小，单位体积分子数增大。
而单位时间碰撞单位面积容器壁分子数（N）则由单位体积内分子数和分子运动剧烈程度共同决定。
当一定质量的气体温度不变时，分子运动剧烈程度不变，平均速率不变，气体体积减小时，单位体积分子数变大，则导致单位时间碰撞单位面积容器壁分子数变大，气体压强变大。
当一定质量的气体体积不变时，单位体积分子数不变，温度升高，分子运动加剧，平均速率变大，由于容器空间体积不变，分子两次碰撞容器壁的时间间隔变短，导致单位时间内碰撞器壁分子数（N）变大，气体压强变大。
从这里可以知道位时间碰撞单位面积容器壁分子数（N）在宏观上由体积和温度共同决定。
从以上分析和气体的压强大小P=NF0来看，单次冲击力F0由气体温度决定，温度越高，气体分子每次撞击容器壁的作用力就越大。
单位时间碰撞单位面积容器壁分子数N则由气体体积和温度共同决定，单位体积分子数n仅仅是影响N 的其中一个因素。
因此，气体压强在宏观上与气体体积和温度有关，在微观上与单位体积内分子数和分子运动剧烈程度有关，气体压强P的大小分别由两组量共同决定。
物理化学 第一章 绪论气体
物理化学讲课的内容
第一章 气体的pVT关系 第二章 热力学第一定律 第三章 热力学第二定律 第四章 多组分热力学 第五章 相平衡
3-10周 讲课 40 h
第六章 化学平衡 第七章 电化学 第八章 化学动力学 第九章 界面现象与
描述真实气体的 pVT 关系的方法： 1）引入压缩因子Z，修正理想气体状态方程 2）引入 p、V 修正项，修正理想气体状态方程 3）使用经验公式，如维里方程，描述压缩因子Z 它们的共同特点是在低压下均可还原为理想气体状态方程
1. 真实气体的 pVm - p 图及波义尔温度
T > TB
pVm - p曲线都有左图所示三种
c
T4
说明Vm(g) 与Vm(l)之差减小。
l2 l1
l
g2 g1
T3
Tc
TT12gg´´12 g
T = Tc时， l – g 线变为拐点c c：临界点 ；Tc 临界温度； pc 临界压力； Vm,c 临界体积
Vm
临界点处气、液两相摩尔体积及其它性质完全相同，界
面消失气态、液态无法区分，此时：
V p m Tc 0 ,
类型。
pVm
T = TB T < TB
(1) pVm 随 p增加而上升； (2) pVm 随 p增加，开始不变， 然后增加
p 图1.4.1 气体在不同温度下的 pVm－p 图
(3) pVm 随 p增加，先降后升。
T > TB T = TB
对任何气体都有一个特殊温度 -
波义尔温度 TB ，在该温度下，压
（密闭容器）
水
乙醇
苯
t / ºC 20 40 60 80 100 120
气体热力学性质
⽓体热⼒学性质第⼆章⽓体热⼒学性质第⼀节理想⽓体的性质⼀、理想⽓体：1、假设：①⽓体分⼦是弹性的、不占据体积的特点；②⽓体分⼦间没有相互作⽤⼒。
对于⽓体分⼦的体积相对⽓体⽐容很⼩，分⼦间作⽤⼒相对于⽓体压⼒也很⼩时，可作为理想⽓体处理。
2、状态⽅程理想⽓体在任⼀平衡状态时的压⼒P 、温度T 、⽐容v 之间的关系应满⾜状态⽅程，即克拉佩龙⽅程 Pv= RTmkg 质量⽓体为： Pv=mRT=m 0R TR ⽓体常数，反映⽓体特征的物理量，和⽓体所处状态⽆关；n 物质的量（千克数或摩尔数）；0R 通⽤⽓体常数，与⽓体状态、其他性质⽆关的普适恒量；K Kmol J R R ?==/8314150µP V C C ,分别表⽰定压⽐容及定容⽐容，对于理想⽓体，他们仅是温度的单值函数，P V C C > 其 R C C P V =- ⽐值k C C P V =/（绝热指数）标准状态时（压⼒未101.325Kpa, 0℃）单原⼦⽓体 k=1.66?1.67双原⼦⽓体 k=1.40?1.41多原⼦⽓体 k=1.10?1.3此外 R k k C R R C C C k P V P V ?-=-=>=1,1,1/⼆、过程⽅程及过程功⽓体在压缩和膨胀过程中，状态的变化应符合动量守恒及转换定律，即内能、外功、热交换三者间应满⾜P d V dW dT C dU dW dU dq V ==+=,,其中压缩过程中的能量关系1、等温过程数字式：0==dT const T 即过程⽅程式：const PV = 过程功：2111121112ln ln ln P P V P V V V P V V RT W === 内能变化：012=-U U热交换：w q =等温过程的热交换q 和过程功w 值相等，且正负号相同，即⽓体加热进⾏等温膨胀时，加⼊的热量全部⽤于对外膨胀做功，⽓体被压缩时外界对⽓体所作的功全部转换为热量的形式排出。
热力学中的气体功与绝热过程
热力学中的气体功与绝热过程在热力学中，气体功和绝热过程是两个重要的概念。
在本文中，我们将深入探讨这两个概念的内涵和应用。
首先，让我们来了解一下气体功的概念。
在热力学中，气体功是指气体对外界做的功。
当气体发生容积变化时，就会对外界做功。
以气体膨胀为例，当气体从一个容器膨胀到另一个容器时，气体通过对外界施加力量来做功。
具体的功的计算公式为W = PΔV，其中W代表功，P代表气体的压强，ΔV代表气体的体积变化。
气体功在工程领域有着广泛的应用。
例如，汽车发动机中的活塞往复运动时，气体通过对活塞施加力量来做功，从而推动发动机的运转。
另外，许多发电厂也利用气体功来产生电力。
在发电厂中，燃烧的燃料会产生高温高压的气体，这些气体通过对涡轮机的叶片施加力量来做功，从而带动发电机发电。
接下来，我们来探讨绝热过程的概念。
绝热过程是指在没有热量交换的情况下进行的过程。
在绝热过程中，气体的内能发生变化，而没有热量的输入或输出。
绝热过程的特点是气体与外界没有热量交换，所以气体内部的热能无法流失或者增加。
绝热过程在很多领域都有应用。
例如，汽车行驶过程中的汽缸内燃烧过程可视为绝热过程。
在汽车发动机中，燃烧室内燃料的爆炸会迅速提高气体温度和压强，这个过程可以看作是一个绝热过程。
此外，气体在管道内的传输过程中也常常涉及绝热过程。
当气体通过管道流动时，由于管道的绝热性质，气体与环境之间没有热量交换，可以将这个过程近似为绝热过程。
除了应用之外，绝热过程在理论研究中也具有重要的作用。
绝热过程可以帮助我们了解气体的能量变化和转化规律，从而深入探索热力学的基本原理。
许多热力学定律和方程式都是基于绝热过程的理论推导得到的。
总结起来，热力学中的气体功与绝热过程是相互关联的。
气体功是气体对外界做的功，而绝热过程则是在没有热量交换的情况下进行的过程。
这两个概念在工程实践中有广泛的应用，并且为热力学理论的深入研究提供了重要的基础。
通过对气体功和绝热过程的理解和应用，我们可以更好地理解和掌握热力学的基本原理，为现代科学技术的发展做出更大的贡献。
《物理化学1气体》课件
04 气体反应动力学 与速率方程
气体反应速率的概念
反应速率
单位时间内反应物浓度减 少或产物浓度增加的量。
反应速率常数
反应速率与反应物浓度的 乘积，表示反应速率与浓 度的关系。
活化能
反应速率与温度的关系， 表示反应所需的最低能量 。
速率方程的建立与求解
质量作用定律
反应速率与反应物浓度的幂次方 成正比。
《物理化学1气体》ppt课 件
目 录
• 气体的基本性质 • 气体定律与热力学基础 • 气体混合物与分压定律 • 气体反应动力学与速率方程 • 气体化学反应平衡常数与计算
01 气体的基本性质
气体的定义与分类
总结词
气体的定义、分类及特性
详细描述
气体是物质的一种聚集状态，具有无固定形状和体积、流动性强等特性。根据气 体分子间相互作用力的不同，气体可分为理想气体和实际气体。理想气体忽略了 气体分子间的相互作用力，而实际气体则考虑了这种相互作用力。
理想气体定律
理想气体假设
理想气体状态方程，即PV=nRT，其 中P表示压强，V表示体积，n表示摩 尔数，R表示气体常数，T表示温度。
理想气体是一种假设的气体模型，其 分子之间没有相互作用力，分子本身 的体积可以忽略不计。
理想气体状态方程的应用
用于计算气体的压力、体积、温度等 物理量之间的关系，以及气体的热力 学性质。
热力学第一定律
热力学第一定律
01不
能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
内能和热量
02
内能是系统内部能量的总和，热量是系统与外界交换能量的量
度。
热力学第一定律的应用
03
用于计算系统的内能、热量、功等物理量之间的关系，以及系
气体动力学
在连续介质假设的前提下研究伴有热效应的气体介质运动规律的学科。
它是在经典流体力学的基础上，结合热力学和化学发展起来的。
通常所说的气体动力学假定气体是无粘性、不传热的。
在气体动力学中，根据运动速度将流动分为亚声速流动、跨声速流动、超声速流动和高超声速流动，根据流动在空间中的变化特点分为一维流动、二维流动和三维流动；根据空间中毎一点处的流动是否随时间而改变分为定常流动和非定常流动。
按照所处理问题的流场是否为无限大可分为外流问题和内流问题。
高速飞行器(如飞机、导弹、航天器等)的绕流属于外流问题；喷气发动机、风洞、燃气轮机等设备中的流动则属于内流问题。
在流动过程中可以有化学变化,也可以没有化学变化。
气流在空间中可以连续变化，也可以发生突跃变化。
激波、爆轰、爆燃现象等就属于突跃变化。
发展简史气体动力学的早期研究始于19世纪80年代。
英国的W. J. M.兰金和法国的P. H.许贡纽对大波幅的强扰动波(如激波)作了理论研究，得出这种强波前后的压强比和密度比以及其他参虽比的关系式。
这些关系式称为兰金-许贡纽关系式（见激波关系式）。
1887年奥地利物理学家E.马赫通过实验发现,超声速流动的特征并不取决于流速的绝对值，而是取决于流速对当地声速的比值。
这个比值后称为马赫数。
瑞典工程师C.G.P.de拉瓦尔在研制蒸汽涡轮机中发现，要想在喷管中获得超声速气流，按低速流的规律将管道截面作单调的收缩是办不到的。
后来他把喷管做成先收缩后扩张、中间细的形状，终于得到了超声速气流(见拉瓦尔管）。
1902年俄国学者C. A。
怡普雷金用速度图法研究了气体射流。
由于当时生产上对高速流动或有热交换流动研究的需要还不迫切，气体动力学只处于萌芽阶段。
在第二次世界大战屮，飞机发动机功率越来越大，飞机的外形越来越符合高速的要求，活塞发动机飞机的飞行速度已达到声速的0.5〜0.6倍。
到第二次世界大战末期，喷气发动机问世，飞机发展的形势要求研究高亚声速和超声速流动问题，也要求研究喷气发动机内部的流动和燃烧问题，气体动力学便应运而蓬勃发展起来了。
气体动力学的基本原理及应用
气体动力学的基本原理及应用气体动力学是一个研究气体运动的分支学科，它在航空、宇航、化工等领域有着广泛的应用。
在气体动力学的研究中，主要关注气体在不同条件下的物理状态和运动规律，在此基础上，能够为实际应用提供可靠的理论基础。
一、气体的物理特性气体是指物质以气体形式存在的状态，其特点是无定形、无体积、可压缩、具有广泛的温度和压力范围。
气体分子间的相互作用力非常微弱，因此气体的分子很容易运动，并具有极高的热运动能量。
在常压下，气体分子的平均自由程度非常大，分子之间几乎没有碰撞。
在空气中，分子自由程度为1.5微米，而分子的大小通常只在0.1微米左右。
可以看出，气体的物理特性决定了其在不同条件下的运动会呈现出什么样的规律。
二、气体运动的基本原理气体在不同条件下的运动都可以用流体力学的方法进行分析。
它的运动状态主要受到牛顿定律和热力学定律的影响。
牛顿定律告诉我们，任何物体都会保持其原有的状态，直到外力或内力产生的效果改变它的状态。
在气体运动中，牛顿定律意味着气体的运动状态所受到的压力和阻力的平衡。
而热力学定律则告诉我们，气体的物理状态与其能量之间是存在一定关系的。
例如，当气体的温度上升时，它的压力也会相应地升高。
因此，我们能够通过气体的物理状态来推断它的运动状态，并根据物理原理进行预测和分析。
三、气体动力学的应用在航空和宇航领域，气体动力学是极为重要的一个学科。
人类对空气动力学的研究起源于早期的热气球，随着机械学、热学和应用数学的发展，飞行器的性能和结构设计得到了不断的改进。
在现代航空中，气动力学的意义体现在飞机的飞行稳定性，研发飞机的燃油效率等诸多方面。
在化工领域，气体的特性和运动规律是诸多燃烧和传输过程中的关键因素。
例如，工业炉膛中的燃烧，汽车内燃机的工作，均需要深入了解气体的特性和流动规律，以进一步优化工业生产和改进机械性能。
在船舶工程中，气体动力学主要关注大型船舶在海面上的稳定性和驾驶性能。
由于海上环境复杂多变，船舶设计过程中需要考虑到严重的风浪影响，从而提高其灵活性和安全性。
1气体力学解析
等温段分段处理法
• 在高温窑炉中，气体的组成、温度和压力的变 化，气体的密度是渐变的。
• 若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通 道、局部孔口等作为研究对象，采取分段处理 的方法，在每个等温段中，等温、等压， =const，所以可视为不可压缩气体。
[Pa·s]
气体的粘度与温度的关系式： t
t
(
273 C T C
)
(
T) 273
3 2
[Pa·s]
μ0——273K时气体的黏度，空气μ0=1.720×10-5 Pa·s； 烟气μ0=1.587×10-5 Pa·s C——与气体的种类有关的常数，空气C=122，烟气 C=173。
•相对粘度的测定
我国常采用恩氏粘度： 200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出 所需要的时间t(s)与同体积的蒸馏水在20℃时， 从恩氏粘度计流出所需要的时间t0(s)的比值。
适用于理想气体状态方程式。
pV nRT m RT M
＝ m
V
pM RT
式中：T----热力学温度，K R----通用气体常数，R=8.3143 J/(mol.K) n ----气体的摩尔数，mol p ----压强，N/m2或Pa(绝对压强) V----体积，m3 m----气体的质量，kg M----气体的摩尔质量，kg/mol
(2) 流化床( 沸腾床 ) 阶段 流体流速继续增大，颗粒开始松动， 流速达一定值时，颗粒产生明显位移，如液体沸腾， 有一个清晰的床层界面 。
(3) 颗粒（气力或液力）输送
流体流速进一步增大，当u =u0时，颗粒被带走。
流化床类似液体的特性
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•相对粘度的测定 我国常采用恩氏粘度： 200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出 所需要的时间t(s)与同体积的蒸馏水在20℃时， 从恩氏粘度计流出所需要的时间t0(s)的比值。
0
t E t0
恩氏粘度与运动粘度的关系：
0.0631 4 (0.0731 E 0 ) 10 E
理想气体的压缩系数 ： 标态：
1 p
1 105 101325
黏滞性 动力黏度μ N.s/m2 Pa.s P 1P=0.1 Pa.s m2/s St cSt 1m2/s=104St =106cSt
运动黏度ν
水的粘度与温度的关系式： t
1.787 103 t 1 0.0337t 0.00022t 2
理想气体：t≮ -20℃；p≯200atm 窑炉内气体经过等温处理后，可视为理想气体，
适用于理想气体状态方程式。
m pV nRT RT M
m ＝ V
pM RT
式中：T----热力学温度，K R----通用气体常数，R=8.3143 J/(mol.K) n ----气体的摩尔数，mol p ----压强，N/m2或Pa(绝对压强) V----体积，m3 m----气体的质量，kg M----气体的摩尔质量，kg/mol
标准状态：0°C，1atm（1atm=101325pa） 令：标态参数：po To Vo 0 vo 一定状态：p T V v
则根据理想气体状态方程，得：
p V p V T T
T0 p 0 Tp0
硅酸盐窑炉中通常认为其压强近似等于外界标 准大气压，即：pt=p。
Vt T V T
所以： T V V V 1 t
T
T0 273 0 0 T 273 t
T t 1 t T
2 气体力学基本方程式
(1)理想气体状态方程 (2)质量守恒——连续性方程 (3)能量守恒——伯努利方程
2.1理想气体状态方程
2.2 质量守恒原理——连续性方程
设：气体在截面变化的管道内作稳定而连续的流动， 气体由截面1-1流向截面2-2； 并假设管道无分支、无汇合，无加入、无泄漏。
1
2
w1
w2
1
2
质量流量恒定：
Qm const
p 1T2 Q2 Q1 p2T1
[Kg/s]
体积流量Q:
[m3/s] [m/s]
流速w:
0
（m2/s）
气体浮力 设：一物体，体积为V放在一流体中，则：
浮力：F = V· 流体· g
重力：G = V· 物体· g
•
F(浮力)
G(重力)
(1) 假设流体（液体）在空气中（1m3） 则：G=9810N
H O 1000 kg / m3
2
F=11.77N
a 1.2kg / m
3
＊恒温条件下： T=常数 pV=常数，p/ρ=常数 p1 /p2 =V2 /V1 =ρ1 /ρ2 ＊ 恒压条件下： p=常数 V/T=常数，ρT=常数， Vt /V0=Tt /T0， ρt/ρo=To/Tt 空气经过加热后体积明显增加，密度明显下降，因此 在窑炉的热工计算中，不能忽略气体体积和气体密度 随温度的 变化。
p1 T2 w2 w1 p2 T1
在一个等温段中，=const：
w1 A1 w2 A2
2.3 能量守恒原理——伯努利方程
（1）实际气体伯努利方程：
等温段中，const（该段气体平均温度下的密度） 实际气体有粘性，流动过程中有能量损失。
1 1 2 2 z1 g p1 w1 z2 g p2 w2 hw 2 2
Chap1 流体力学基础
basis of fluid mechanics
§1-1 气体力学基础
basis of gas dynamics
导入
气体力学
• 窑炉内供氧气——风机 • 废气排出——烟囱、喷射器
1窑内气体的特征
（1）压强变化范围小；
窑炉内： (101325 200) Pa (10.002) atm 管道内、烧嘴内：(101325 20000) Pa (10.2)atm （2）温度变化范围大；(?) （3）窑内热气体受窑外冷气体浮力影响大。
i 1
χi—混合气体中各种气体的体积百分比,%； ρi—气体或液体混合物中各组分的密度，㎏／m3；
膨胀性
V dT dT
dV d
（1/K）
理想气体膨胀系数: 标态:
1 T
1 1 273.15 273
压缩性
V dp dp
dV
d
（m2/N）或（1/Pa）
G» F，所以液体在空气中的浮力可忽略不计。 ∴ 水总是由高处向低处流动。
(2) 假设是热空气（1m3）在冷空气中：
则：G=5.89N F=11.77N
烟＝0.6kg / m
3
冷＝a.20＝ 1.20kg / m3
G<F，即浮力大于重力。 净浮力 = 浮力(F) – 重力(G) = 5.88N > 0 ∴ 热烟气在没有机械能加入的情况下，将会 在净浮力的作用下，由下向上自动流动。
气体的粘度与温度的关系式： t
[Pa· s] [Pa· s]
273 C T 32 t ( )( ) T C 273
μ0——273K时气体的黏度，空气μ0=1.720×10-5 Pa· s； 烟气μ0=1.587×10-5 Pa· s C——与气体的种类有关的常数，空气C=122，烟气 C=173。
等温段分段处理法
• 在高温窑炉中，气体的组成、温度和压力的变 化，气体的密度是渐变的。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通
道、局部孔口等作为研究对象，采取分段处理 的方法，在每个等温段中，等温、等压， =const，所以可视为不可压缩气体。
密度
均质气体
混合气体
M V n m x1 1 x2 2 ......xn n xi i
（2）适用于两气体的伯努利方程：
适合于冷热两种气体同时存在，反映它们之间相 互作用的伯努利方程式。 因热气体的m < a ,换基准面 在烟囱顶部。？？