1、Welcome to learn physical chemical With me理学院应用化学系第一章 气体的 pVT关系P,V and T Relation of Gases物 理 化 学Welcome to learn Physical chemistry with me研究气体的意义研究气体的 理论意义 气体同液体、固体相比较，气体是一种最简单的聚集状态，其物理量之间的相互关系、彼此之间的依赖规律也要简单的多。这就为热力学的研究提供了一个方便的体系 。 研究气体的 实际意义由于气体具有良好的流动性与混合性，而使得它成为化工生产过程中不可缺少的物质。Welcome to learn P
2、hysical chemistry with me学习要求：掌握理想气体（包括混合物）状态方程式的灵活应用，明确实际气体液化条件、临界状态及临界量的表述。 熟悉范德华方程的应用条件，并了解其他实际气体状态方程式的类型与特点。 理解对比态、对比状态原理、压缩因子图的意义及应用。Welcome to learn Physical chemistry with me目 录 1.1 理想气体状态方程 1.2 理想气体混合物 1.3 气体的液化及临界 性质 1.4 实际 气体状态方程 1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子图Welcome to learn Physical chemistry with
3、me1.1 理想气体的状态方程一、理想气体的状态方程 (Ideal gas equation of state) 盖 吕萨克定律（ Gay Lussac s Law）V T at n and p(pressure) are constantsorV/T = constant C 阿伏伽德罗定律（ Avogadro s Law）V n at T and p are constantsor V/n = constant C 波义耳定律（ Boyles Law）V 1/p at n(amount of gas) and T(Temperature) are constantsor pV = cons
4、tant CWelcome to learn Physical chemistry with me综合上述三条经验定律，可推导出理想气体状态方程式 pV=nRT根据上述定律，可将气体的体积描述为温度、压力和量的函数，即 V=f (T,p,n)则有Welcome to learn Physical chemistry with me式中：是恒压下，一定量气体的体积随温度变化而变化的变化率是恒温下，一定量气体的体积随压力的变化率 是恒温恒压下，气体的体积随气体的量的变化率 Welcome to learn Physical chemistry with me由 Boyle 定律得由 Gay-Lus
5、sac定律得 由 Avogadro 定律得 Welcome to learn Physical chemistry with me将上述变化率代入到则有 :积分得 :Welcome to learn Physical chemistry with me这 就是描述气体行为的状态方程式pV=nRT对于常数 R， 则通过实验数据确定。 实验测出 1mol气体的温度为 273.15K， 压力为 101325Pa时，体积为 2.241410-2m3,故从而得到了理想气体状态方程pV=nRT或pVm=RTWelcome to learn Physical chemistry with me但是，随着气体
6、的应用越来越广泛，物理量的测试技术越来越精确，特别是对压力高，温度低的气体进行研究时，发现没有一种气体能够在所有条件下均满足理想气体状态方程 （ pVm = RT） 。 后来进一步研究表明：随着气体的压力减小，温度增高，pVm = RT产生的误差越小，如图为在 273.15K时几种气体的 pVm p图。从图中可以看出， pVm=RT只有在 p = 0时气体才适用。于是人们提出了理想气体的概念，即满足 pVm = RT一式的气体就称之为理想气体。而把 pVm = RT一式称之为理想气体状态方程。并且根据这一事实提出了理想气体模型 。p/PaWelcome to learn Physical ch
7、emistry with me二、理想气体的微观模型 (Microcosmic model of ideal gas)理想气体的微观模型包括两个基本观点： 1. 气体分子本身没有体积 实际气体在压力趋于零时，体积将为无穷大，分子本身所占有的体积与气体的体积相比较很小，即分子本身的体积为零。2. 气体分子间没有相互作用力 实际气体在压力趋于零时，分子间的距离也趋于无穷大，分子间的相互作用力趋于零。Welcome to learn Physical chemistry with me三、 摩尔气体常数 （ gas constant)真实气体只有在压力趋于零时才严格服从理想气体状态方程。但数据不易测
8、定，所以 R值的确定，实际是采用外推法来进行的。Welcome to learn Physical chemistry with me1.2 理想气体混合物一、 混合物的组成 （ Composition of mixture)v 摩尔分数 (Mole fraction)v 质量分数 (Mass fraction)v 体积分数 (Volume fraction)Welcome to learn Physical chemistry with me二、理想气体混合物的状态方程式（ Ideal mixed gas equation of state） 混合理想气体状态方程与纯理想气体状态方程相同，即
9、 混合物的摩尔质量定义为： Welcome to learn Physical chemistry with me三、 分压定律 (Law of partial pressure)设在体积为 V 的容器中，充有其量分别为 n1 , n2 , nk的 k个组分的低压混合气体，其温度 为 T。那么Welcome to learn Physical chemistry with me令Pi称之为混合气体中 i 组分的分压 则 这就是 道尔顿 (Dalton)分压定律 ，即混合气体的总压等于各组分的分压之和。根据分压定律，可以得到式中： yi为混合气体中 i组分的摩尔分数 (Mole fraction
10、)。 Welcome to learn Physical chemistry with me四、 分体积定律 (Law of partial volume)设在压力 为 p、 温度为 T 时，有其量分别为 n1 , n2 , nk的 k个组分的低压混合气体，那么其体积 为Welcome to learn Physical chemistry with me令pi称之为混合气体中 i 组分的分体积 则 这就是 Amagat分体积定律 ，即混合气体的总体积等于各组分的分体积之和。根据分体积定律，可以得到式中： yi为混合气体中 i组分的摩尔分数 (Mole fraction)。 Welcome t
11、o learn Physical chemistry with me 1.3 气体的液化与临界性质 一、 Saturated vapor pressure of liquid 饱和蒸气 (Saturated vapor) 饱和液体 (Saturated liquid) 饱和蒸气压 (Saturated vapor pressure) 沸腾 (Boiling) 正常沸点 (Boiling point ,Tb ) Welcome to learn Physical chemistry with me液体与其蒸汽平衡演示Welcome to learn Physical chemistry with
12、 me二、临界参数 (Critical property) 临界点（ Critical point） 临界温度（ Critical temperature , Tc ） 临界压力（ Critical pressure , pc） 临界摩尔体积（ Critical volume , Vm,c ） Welcome to learn Physical chemistry with me三、 气体液化 (Gas liquefaction) Welcome to learn Physical chemistry with me1 T Tc(304.19K)或 t 31.04不出现液化现象 , 与理想气体
13、相似 2 T Tc 、 p Tc 、 p pc时：流体接近临界点 c的 流体SCF：或所有 T Tc 、 p pc的流体Welcome to learn Physical chemistry with me超临界流体特性 SCF兼有液体和气体的优点，有类似液体的密度，类似气体的粘度和扩散系数，即密度大、粘度小、扩散系数大，零表面张力，从而导致SCF有极高的溶解能力。 这些特性使得超临界流体成为一种好的萃取剂。Welcome to learn Physical chemistry with me超临界流体萃取（ SCFE） 超临界流体萃取流程简图 常用的超临界流体萃取剂：CO2、乙烯、丙烯、丙烷
14、等 Welcome to learn Physical chemistry with me超临界流体萃取（ SCFE）实例 从咖啡豆中脱出咖啡因 茶叶中脱出茶碱 烟草中脱出尼古丁 蛋黄中提取胆固醇 啤酒花中提取蛇麻酮 辣椒中提取辣椒色素 发酵液中提取 -胡 萝 卜素等等Welcome to learn Physical chemistry with me一、实际气体 pVT的行为 定义压缩因子 (Compressibility factor)Z Z = pV/(nRT) = pVm / (RT) Z = 1 ,即理想气体（或对理想气体不产生偏差） Z 1 ,表明实际气体的摩尔体积大于同样条件下的理想值，即比理想气体 难压缩 Z 1 ,表明实际气体的摩尔体积小于同样条件下的理想值，即比理想气体 易压缩 1.4 实际气体的状态方程
