氣體

2019-03-05  來自: 張家口市同利氣體有限責任公司 瀏覽次數:34

氣體

氣體是四種基本物質狀態之一(其他三種分別為固體、液體、等離子體)。氣體可以由單個原子(如稀有氣體)、一種元素組成的單質分子(如氧氣)、多種元素組成化合物分子(如二氧化碳)等組成。氣體混合物可以包括多種氣體物質,比如空氣。氣體與液體和固體的顯著區別就是氣體粒子之間間隔很大。這種間隔使得人眼很難察覺到無色氣體。氣體與液體一樣是流體:它可以流動,可變形。與液體不同的是氣體可以被壓縮。假如沒有限制(容器或力場)的話,氣體可以擴散,其體積不受限制,沒有固定。氣態物質的原子或分子相互之間可以自由運動。 氣體的特性介于液體和等離子體之間,氣體的溫度不會超過等離子體,氣體的溫度下限為簡并態夸克氣體[1],現在也越來越受到重視[2]。高密度的原子氣體冷卻到非常低的低溫,可以依其統計特性分為玻色氣體和費米氣體,其他相態可以參照相態列表。

中文名氣體

外文名gases

領    域工程

元素氣體

在標準狀況下為氣體分子的化學元素有氫(H2)、氮(N2)、氧(O2)和兩種鹵素,分別是氟(F2)和氯(Cl2)。另外還有單原子的稀有氣體:氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。

物理性質

因為大多數氣體很難直接觀察,他們常被通過其四個物理屬性或宏觀性質來描述:壓強、體積、粒子數目(化學家用摩爾來表示)和溫度。這四個屬性被許多科學家(如羅伯特·波義耳、雅克·查理、約翰·道爾頓、約瑟夫·路易·蓋-呂薩克、阿莫迪歐·阿伏伽德羅等)通過不同的氣體和不同的裝置來反復觀察過。他們的仔細研究最終形成了描述這些屬性的數學關系的理想氣體定律。

宏觀屬性

當觀察氣體時,一般會指明參考物或長度尺度。較大的長度尺度對應著氣體的宏觀屬性或是總體看法。其范圍(可指體積)至少要能容納大量的氣體粒子。對如此采樣尺寸的氣體的統計分析會得到樣品內所有氣體粒子的平均屬性(例如速度,溫度,壓強等)。相反,一個較小的參考長度尺度對應著氣體的微觀屬性或是粒子層面的看法。

壓強

主條目:壓強

在公式中常用"p""P"來表示氣體壓力,其單位則常為國際單位制中的帕斯卡(Pa)。

在描述一個有容器的氣體時,壓力(或是壓力)是在氣體作用在容器表面上,單位面積所施的力,在此空間內,可以視為氣體粒子會直線運動,直到和其他分子或是容器壁碰撞為止。若和容器壁碰撞,單位時間內氣體粒子動量的變化就是氣體作用在容器上的力,在碰撞過程中,只有垂直容器壁的氣體粒子速度分量會變化,若氣體粒子是沿著容器壁運動,其動量不會變化。因此容器壁受到的力就是和容器壁碰撞的氣體粒子其動量變化的平均值。

壓力是所有碰撞容器壁的氣體粒子,其產生的力除以容器壁總面積后的值。

溫度

在公式中常用"T"來表示氣體溫度,其單位則常為國際單位制中的開爾文(K)。

氣體粒子的速度和其溫度成正比。在右邊的影片中,當氣球放進液態氮中時,因為溫度降低,氣體粒子速度變慢,氣球體積也隨之縮小。氣體系統的溫度和其中粒子(原子或分子)的運動有關。在統計力學中,溫度可以表示儲存在粒子中的平均動能。儲存能量的方式和粒子的自由度有關。借由氣體粒子碰撞,粒子產生平移、旋轉或是振動的運動,其動能也隨之提高。相反的,固體中的分子因為在晶格中,無法有平移或旋轉的運動,只能以振動的方式提高溫度。加熱的氣體,因為持續和容器或其他氣體粒子碰撞,其速度分布范圍較大,可以用麥克斯韋-玻爾茲曼分布描述,此時會假設氣體粒子近似為接近熱力學平衡狀態下的理想氣體。

比容

主條目:比容

參見:體積 (熱力學)

在公式中常用"v"來表示氣體比容,其單位則常為國際單位制中的立方米每千克(m/kg)。表示氣體體積常用"V",其單位常為立方米(m)。

在描述熱力學性質時,會將性質區分內含及外延性質。和氣體的量(體積或是質量)有關的量稱為外延性質,和氣體的量(體積或是質量)無關的量稱為內含性質。比容是內含性質,是熱平衡時,單位質量氣體的體積。氣體的體積和氣體量有關,因此是外延性質。

固態和液體的比容會隨壓力或溫度而有輕微的變化,但壓力或溫度改變時,氣體的比容會有顯著的變化,溫度相同的氣體,當壓力減半時,其比容會加倍,因此氣體具有壓縮性。

密度

主條目:密度

在公式中常用ρ來表示氣體密度,其單位則常為國際單位制中的千克每立方米(kg/m3),為比容的倒數。

由于氣體分子常會裝在容器中移動,其質量一般會用密度來表示。密度是單位體積下的質量,也是比容的倒數。氣體密度變化的范圍很大.因為當受到壓力或體積的限制時,氣體分子之間可以靠得更近。密度的變化即為可壓縮性,氣體的密度和壓力及溫度都是狀態變數,在過程中的變化會依照熱力學的定律。針對靜態氣體而言,氣體的密度在整個容器中是相同的。密度是一標量,若是固定質量氣體,密度和容器的體積成反比。

微觀屬性

分子運動論

主條目:分子運動論

分子運動論通過考慮氣體顆粒的成分和運動來對氣體的宏觀屬性提供一個內在的視角。

布朗運動

氣體粒子的隨機運動,一開始上方和下方是不同的氣體,但最后可以看出氣體的擴散

主條目:布朗運動

布朗運動是描述流體中粒子隨機運動的數學模型。右圖動畫中粉紅色和綠色的粒子說明氣體運動的方式。

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