实际气体状态方程的理论诠释

职业培训 培训职业 2024-12-29
为了获得能反映实际气体性质的状态方程,必须考虑实际气体的基本特征,对理想气体状态方程进行修正。①实际气体分子不是质点,占有一定的体积,当两个分子足够靠近时将产生强烈的排斥力;②实际气体分子间的距离大于平衡距离,小于有效作用半径时,分子间互相吸引。范德瓦耳斯

为了获得能反映实际气体性质的状态方程,必须考虑实际气体的基本特征,对理想气体状态方程进行修正。①实际气体分子不是质点,占有一定的体积,当两个分子足够靠近时将产生强烈的排斥力;②实际气体分子间的距离大于平衡距离,小于有效作用半径时,分子间互相吸引。范德瓦耳斯首先于1873年应用苏则朗势[刚球势加上随距离成(-r-6)关系增加的引力势]成功地修正理想气体状态方程,得到了温度、压强和摩尔体积分别为T,p和V0的1摩尔范德瓦耳斯气体(简称范氏气体)状态方程:

(p+a/v02)(v0-b)=RT

式中的a和b是分别考虑了范氏气体分子之间有引力作用和分子占有一定体积而引进的范氏修正量。表1中列出了一些气体的范德瓦耳斯修正量a和b的实验值。由于在得到范氏状态方程时,并未对范氏气体的宏观条件如温度和密度等作出限制,因此它能相当好地解释气液相变,并能对高密度气体以致液体的性质作出定性的解释。

表1 一些气体的范德瓦耳斯修正量a和b的实验值 气体 a(J·m3·mol-2) b(m3/mol) 氧0.1383.19×10-5 氮0.1373.86×10-5 氢0.02482.66×10-5 氦0.003242.34×10-5 氩0.1373.23×10-5 二氧化碳0.3654.28×10-5 氨0.4243.73×10-5 水蒸气0.5553.06×10-5 另一个得到广泛应用的非理想气体状态方程是由开默林·昂内斯在20世纪初提出的一个按气体的摩尔体积V0的负幂次或其压强p的正幂次展开的级数形式的昂内斯状态方程(也称为位力展开):

pV0=A(1+B/V0+C/V02+D/V03+···)

或pV0=A′(1+B′p+C′p2+D′p3+···)

式中的A、B、C、D···或A′、B′、C′、D′···分别称为第一、第二、第三、第四位力系数,它们的数值只与温度和气体的性质有关。当一定量气体的摩尔体积V0趋于无穷大或其压强p趋于零时,应得到玻意耳定律,故第一位力系数A=A′=RT只是温度的函数,与气体性质无关。表2给出了温度为80—273K和压强为0—200标准大气压时氮的位力系数的数值。由表可见,温度越低,位力系数的数值越大,气体偏离理想气体越远。

表2 氮的位力系数 T/K  B

(10-6m3/mol) C

(10-10m6/mol2) D

(10-14m3/mol3) E

(10-10m12/mol4) F

(10-20m13/mol5) 80-250.80210-2000    90-200.50135-1000    100-162.1085-600    110-131.8065-200    120-114.6248-27    150-71.162213-12.34.1200-34.331214-11.83.6273-9.508.216-7.5-1.620世纪40年代,J.迈尔应用统计物理学中的集团展开法从理论上证明了位力展开,并得到了各级位力系数与物质分子力之间关系的数学式。为位力展开的确立提供了清晰的物理图像,并使从理论上计算位力系数成为可能 。

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