假设有一种气体,气体分子本身体积极小,分子之间没有相互吸引力,这种气体称为理想气体。实际上,理想气体是不存在的。研究结果表明,在高温、低压条件下,气体分子间的距离大,分子本身的体积和分子间的作用力均可以忽略,这时的气体就可以近似看作是理想气体。
描述气体的时候,经常会用到体积、温度和压力这几个物理量。对于理想气体,可以用下面的公式来描述气体的状态
pv= NRT (1-1)
该式即为理想气体状态方程。式中,P为气体的压力,单位为帕(Pa);V为气体的体积,单位为立方米(m3);n为气体的物质的量,单位为摩尔(mol);T为气体的热力学温度,单位为开(K);R为摩尔气体常数,其常用值为8.314J/(mol·K)。
实际生产过程中,经常常遇到的是气体混合物。例如,空气就是由氧气、氮气、二氧化碳和稀有气体等多种气体组成的混合物。通常,把组成混合气体的每一种气体称为混合气体的组分气体。混合气体中各组分气体的含量可以用组分气体的分压来表示。
在混合气体中,某组分气体x对周围环境施加的压力称为组分气体的分压力。它等于相同温度下,组分气体单独占有与混合气体相同体积时所具有的压力。混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和,这种关系称为道尔顿分压定律。
如果以P表示总压力,以Pi表示组分气体i的分压力,则有以下关系式存在
p =p1+ p2+…=∑pi (1-2)
式中,pi 表示i组分气体的分压。
如果以ni和n分别表示组分气体和混合气体的物质的量,则
p1=niRT/V
p=nRT/V
式中,V为混合气体的体积,两式相除除即可以得到
pi=nip/n
式中,(ni/n)即为组分气体i的物质的量分数(摩尔分数),可以用x表示,则i组分气体的分压
pi=xip (1-3)
例1-1 在容器中含有NH3、O2和N2的混合气体,其中含有0.24 mol NH3,0.36molO2,1.40molN2,计算总压力为101.3kPa时各组分气体的分压?
解: n=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=0.24+0.36+1.4=2.00mol
p(NH3)=x(NH3)p=(0.24/2)×101.3=12.2kPa
p(O2)=x(O2)p=(0.36/2)×101.3=18.2kPa
p(N2)=x(N2)P=(1.4/2)×101.3=70.9kPa
例1-2 298K时,在一个密闭容器中充入16g氧气和28g氮气,测得容器中气体的总压力为93kPa,计算该容器的体积?两种气体的分压?两种气体的分体积?
解: n(O2)=16/32=0.5mol
n(N2)=28/28=1.0mol
n=n(O2)+n(N2)=0.5+1.0=1.5mol
V=nRT/p=1.5×8.314×298/98·103=40dm3
p(O2)=x(O2)P=(0.5/1.5)×93=31kPa
p(N2)=x(N2)P=(1.0/1.5)×93=62kPa
V(O2)=x(O2)V=(0.5/1.5)×40=13dm3
V(N2)=x(N2)V=(1.0/1.5)×40=27dm3