物理化学第一章气体解析.pptVIP

第一章 气 体 第一节 理想气体PVT关系 一、理想气体状态方程 二、理想气体混合物 一、理想气体状态方程 1. 理想气体 理想气体在客观上是不存在的，是一个科学的抽象概念。 实际气体在压力很低时，体积很大，所含气体分子的数目很少，分子间距离大，彼此的引力可忽略不计，即在较低压强、较高温度时实际气体接近理想气体。 理想气体在微观上具有以下两个特征： ①分子本身的大小与分子间的平均距离比较小很多，可以忽略，所以认为分子本身没有体积，视为质点。 ②分子间无相互作用力。 理想气体模型把气体分子本身看作无体积且分子间无作用力。 2. 理想气体状态方程 通过大量实验，基于波义耳定律、查理定律、盖-吕萨克定律等经验定律，人们归纳出低压气体的p、V、T关系都服从的理想气体状态方程： （1-1） 或 (1-2) 其中的R称为摩尔气体常数，其值等于8.314J.K-1.mol-1，与气体种类无关。 理想气体状态方程只有理想气体完全遵守。 理想气体也可以定义为在任何温度、压强下都严格遵守理想气体状态方程的气体。 实际气体处在温度较高、压力较低即气体十分稀薄时，能较好地符合这个关系式。 例1.1 、例1.2 二、理想气体混合物 1.分压定律 在一定温度下，A、B两种气体单独存在，体积相同，测得压力分别为pA和pB 。保持温度不变，将其中一个容器中的气体全部抽出并充入到另一个容器中，如图1.1所示。混合后混合气体的总压力约为p= pA + pB 。 图1.1 混合气体的分压与总压示意图 上式表明混合气体中气体的压力分数等于摩尔分数，某组分的分压是该组分的摩尔分数与混合气体总压的乘积。 该式用于化工工艺设计或生产中含量的计算。 气体混合物的摩尔分数一般用y表示，液体混合物的摩尔分数一般用x表示。 理想气体在任何条件下都能适用分压定律，而实际气体只有在低压下才能适用。 例1.3 例1.4 2.分体积定律 合成氨生产中，H2与N2应该按一定比例数量来进行反应，计量时可以按物质的量或摩尔分数比，也可以按分压比例，而实际生产中体积流量是容易测量和控制的。体积的比例也能代表某组分的含量，研究如下。 在一定温度下、一定压力条件下，将A、B两种气体混合, 如图1.2所示 在压力很低的条件下，可得V=VA+VB，即混合气体的总体积等于所有组分的分体积之和，称为阿马格分体积定律。通式为 （1-5） 式中 VB——组分B的分体积。 根据理想气体状态方程有 即 （1-6） 上式表明混合气体中气体的体积分数等于摩尔分数，某组分的分体积是该组分的摩尔分数与混合气体总体积乘积。 理想气体在任何条件下都能适用分体积定律，实际气体只有在低压下才能适用。例1.5 若以压力为纵坐标，体积为横坐标作图，如图1-3所示的一系列双曲线。 每一条曲线称为等温线。 生产上气体液化的途径有降温和加压方法。实践表明，降温可以使气体液化，但单凭加压不一定能使气体液化，要在一定的温度下才能实现。 一、气体的液化过程 图1-3为不同温度下CO2的p-Vm等温线。等温线以304.2K为界，分为高于、低于、等于304.2K的等温线。 （1）T304.2K的等温线 温度高于304.2K的p-Vm等温线为一连续的光滑曲线。 p-Vm连续变化说明气体无论在多大压力下均不出现液化现象。 （2）T304.2K的等温线 ① 水平线段是气体能液化的特征。以温度为T2=286.15K的等温线为例进行讨论。 气体的凝结趋势与液体的挥发趋势正好相当，这种平衡态的气体称为饱和蒸气，液体称为饱和液体，此时的压力称为该温度时液体的饱和蒸气压。 ② 水平线段随温度的升高而缩短，说明随温度的上升，饱和液体与饱和气体的摩尔体积互相趋近。 当温度升高到某一值后，饱和液体与饱和气体的摩尔体积完全相同，水平线段缩短成为一点，此点称为临界点。 （3）304.2K等温线 当温度为304.2K时， p-Vm等温线不再出现水平线段，但是气体又可以液化。实际上，此时p-Vm等温线中存在一个拐点，它是由T