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气体实验定律
气体的状态参量
压强(p)、体积(V)、温度(T) 是描述气体状态的三个物理量，称为气体的状态参量。
体积V
- 定义：气体分子所能占据的空间体积
- 单位：立方米(m³)，常用单位还有升(L)、毫升(mL)
- 换算：
1 L = 10^-3 m³，1 mL = 10^-6 m³
温度T
- 热力学温度
T = t + 273.15 K - 温度是分子平均动能的标志
压强p
- 定义：气体作用在器壁单位面积上的压力
- 产生原因：大量气体分子频繁碰撞器壁产生的
- 单位：帕斯卡(Pa)，
1 Pa = 1 N/m² - 常用单位：标准大气压(atm)，厘米汞柱(cmHg)
- 换算：
1 atm = 76 cmHg = 1.013 × 10^5 Pa
平衡状态下的气体：三个状态参量p、V、T都保持不变。当其中一个参量发生变化时，至少会有第二个参量也随之变化。
理想气体
我们把 严格遵循 气体实验定律的气体叫做理想气体。
理想气体的特点：
- 分子间没有相互作用力
- 分子本身不占有体积
- 内能只与温度有关，与体积无关
- 实际气体在温度不太低、压强不太大的情况下，可以近似看成理想气体
气体实验定律
1. 玻意耳定律（等温变化）
内容：一定质量的某种气体，在温度不变的情况下，压强p与体积V成反比。
公式： p₁V₁ = p₂V₂ 或 pV = 常数
p-V图像：等温线是双曲线的一支。温度越高，等温线离原点越远。
适用条件：
- 一定质量的气体
- 温度不变
- 温度不太低，压强不太大
2. 查理定律（等容变化）
内容：一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，压强p与热力学温度T成正比。
公式： p₁/T₁ = p₂/T₂ 或 p/T = 常数
p-T图像：等容线是过原点的直线。体积越大，斜率越小。
也可以表示为：p = p₀(1 + t/273.15)，其中p₀是0°C时的压强。
3. 盖-吕萨克定律（等压变化）
内容：一定质量的某种气体，在压强不变的情况下，体积V与热力学温度T成正比。
公式： V₁/T₁ = V₂/T₂ 或 V/T = 常数
V-T图像：等压线是过原点的直线。压强越大，斜率越小。
也可以表示为：V = V₀(1 + t/273.15)，其中V₀是0°C时的体积。
理想气体状态方程
一定质量的理想气体，由状态1(p₁,V₁,T₁)变化到状态2(p₂,V₂,T₂)，满足：
p₁V₁ / T₁ = p₂V₂ / T₂ 或 pV / T = C（常数）
常数C与气体的质量和种类有关，对1摩尔理想气体，C = R（气体常量），状态方程为：pV_mol = RT，其中R = 8.31 J/(mol·K)。
气体压强的微观解释
- 产生原因：气体压强是大量气体分子频繁碰撞器壁产生的
- 影响因素：
- 微观上：与分子平均动能和分子数密度有关
- 分子平均动能越大（温度越高），压强越大
- 分子数密度越大（体积越小），压强越大
- 宏观上：与温度和体积有关
- 体积减小，分子数密度增大，压强增大
- 温度升高，分子平均动能增大，压强增大
- 微观上：与分子平均动能和分子数密度有关
练习题
选择题
一定质量的理想气体，在保持温度不变的情况下，如果增大气体体积，气体压强将减小，从微观角度解释，这是因为：
- A. 气体分子的平均速率减小
- B. 单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数减少
- C. 气体分子平均动能增大
- D. 单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数增加
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答案：B解析：温度不变说明分子平均动能不变，平均速率不变，A、C错误。体积增大，单位体积内分子数减少，单位时间内撞击到单位面积器壁上的分子数减少，所以压强减小，B正确，D错误。
一定质量的理想气体，经过等温膨胀过程，下列说法中正确的是：
- A. 气体分子平均动能增大
- B. 气体压强减小
- C. 气体吸收热量
- D. 气体内能不变
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答案：BCD解析：
- A错误：等温过程温度不变，分子平均动能不变
- B正确：根据玻意耳定律pV=常数，V增大则p减小
- C正确：气体膨胀对外做功，而内能不变（理想气体内能只与温度有关），根据热力学第一定律，气体一定吸收热量
- D正确：温度不变，理想气体内能不变
一定质量的理想气体，体积保持不变，温度从10°C升高到20°C，压强增加了：
- A. 10/283
- B. 1/273
- C. 1/283
- D. 10/273
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答案：C解析： 根据查理定律：p₁/T₁ = p₂/T₂ T₁ = 10 + 273 = 283 K，T₂ = 20 + 273 = 293 K p₂ = p₁ × (T₂/T₁) = p₁ × (293/283) Δp = p₂ - p₁ = p₁ × (293 - 283)/283 = p₁ × (10/283) Δp/p₁ = 10/283 = 1/28.3 ≈ 0.035 压强增加了原来的 10/283，即相对增量是 1/28.3 ≈ 1/28.3，所以选C。
计算题
一氧气瓶容积是10 L，瓶内氧气压强是100 atm。用了一段时间后，压强变为80 atm，温度不变，求用去的氧气在标准状态(1 atm，0°C)下的体积是多少？
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分析： 温度不变，用玻意耳定律。把剩余氧气和用去氧气作为整体研究。
解答： 初状态：p₁ = 100 atm，V₁ = 10 L 末状态：p₂ = 80 atm，体积V₂ = ?，温度不变
根据玻意耳定律：p₁V₁ = p₂V₂
V₂ = p₁V₁ / p₂ = (100 × 10) / 80 = 12.5 L用去的氧气体积在80 atm下为：ΔV = V₂ - V₁ = 12.5 - 10 = 2.5 L
设这部分气体在标准状态p₃ = 1 atm下体积为V₃，则： p₂ΔV = p₃V₃
V₃ = p₂ΔV / p₃ = (80 × 2.5) / 1 = 200 L答：用去的氧气在标准状态下体积为200 L。
一定质量的理想气体，状态变化如图所示：从A到B是等温过程，B到C是等容过程，C到A是等压过程。已知T_A = T_B = 300 K，p_A = 2 atm，p_C = 1 atm，V_A = 10 L，求V_C。
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解答： 已知：A(p_A, V_A, T_A)，C(p_C, V_C, T_C)
B到C是等容过程，所以V_B = V_C
A到B是等温过程，T_B = T_A = 300 K，根据玻意耳定律：
p_A V_A = p_B V_Bp_B = p_C = 1 atm（因为B到C等容变化，压强从p_B到p_C=1 atm）所以：
V_B = (p_A V_A) / p_B = (2 × 10) / 1 = 20 L因为V_B = V_C，所以V_C = 20 L。
验证：用理想气体状态方程：
p_A V_A / T_A = p_C V_C / T_C我们已经得到结果，正确。答：V_C = 20 L。