理想气体混合物状态方程课件.ppt
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1、上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4物理化学电子教案物理化学电子教案第一章第一章上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4第一章 气体1.1 气体分子动理论1.2 摩尔气体常数(R)1.3 理想气体的状态图1.4 分子运动的速率分布1.5 分子平动能的分布1.6 气体分子在重力场中的分布1.7 分子的碰撞频率与平均自由程1.8 实际气体1.9 气体间的转变实际气体的等温线和液化过程1.10 压缩因子图-实际气体的有关计算1.11 分子间的相互作用力*上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4一 气体分子动理论的基本公式二 理想气体状态方程三 理想气体模型四 理想气体混合物五
2、分子平均平动能与温度的关系上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4气体分子运动的微观模型(1)气体是大量分子的集合体。相对于分子与分子间的距离以及整个容器的体积来说,气体分子本身的体积很小,可以忽略不计,常将气体分子当作质点来处理。(2)气体分子不断地做无规则的运动,均匀分布于整个容器中。(3)分子彼此的碰撞以及分子与器壁的碰撞是完全弹性的(碰撞前后总动量不损失)。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4力质量 加速度质量 速度动量压力面积面积面积 时间面积 时间213pVmNu气体分子动理论的基本公式 利用统计平均的方法,求出体积为V分子数为N的气体系统的总动量。则可得出气体分子
3、动理论的基本公式式中,m是一个分子的质量,u为均方根速率。2()/iiiununn为单位体积内的分子数。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-42 理想气体状态方程理想气体状态方程 1719世纪三个著名的低压气体经验定律: 波义尔定律(R.Boyle,1662): pV = 常数 (T, n 一定) 盖.吕萨克定律(J. Gay-Lussac,1808):V / T 常数 (n, p 一定) 阿伏加德罗定律(A. Avogadro, 1811) V / n 常数 (T, p 一定)气体分子运动公式可以对几个经验定律作出解释。反过来也证明了气体分子运动基本公式的正确性。上一内容下一内容回主
4、目录O返回2022-6-42 理想气体状态方程理想气体状态方程 将以上三式归纳整理,得到理想气体状态方程:pV = = nRT单位:p PaR J mol-1 K-1n molT KV m3上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-42 理想气体状态方程理想气体状态方程由三个经验定律导出理想气体状态方程的过程: 设 V=V(T,p,n) 则有dnnVdppVdTTVdVpTnTnp,由盖.吕萨克定律TVTVnp,由波义尔定律pVpVnT,由阿伏加德罗定律nVnVpT,上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-42 理想气体状态方程理想气体状态方程dnnVdppVdTTVdVndnTdTVd
5、Vpdp)ln()ln(nTdpVdCnTpVln)ln()ln(nRTpV 代入得整理得或写成积分C是积分常数,通常用R表示,去掉对数得上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-42 理想气体状态方程理想气体状态方程BpVNk TB/kR LRTMmpVRTpVm以此可相互计算 p, V, T, n, m, M, (= m/ V)理想气体状态方程也可写为:/N Ln上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-43 理想气体模型理想气体模型1 理想气体定义: 任何温度、压力下均服从理想气体状态方程的气体,称为理想气体。2 理想气体的特征(或条件): 分子本身无体积: 分子间无相互作用力: 意
6、味着:分子是质点(有质量无体积),若p,则Vm 0。 由p=nRT/V,温度恒定时,pn/V,与分子间距离无关,所以分子间无相互作用力。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-43 理想气体模型理想气体模型3 理想气体微观模型: 理想气体是一种分子本身没有体积,分子间无相互作用力的气体。 理想气体是一个理想模型,在客观上是不存在的,它只是真实气体在p0时的极限情况。4 建立理想气体模型的意义: 建立了一种简化的模型:理想气体不考虑气体的体积及相互作用力,使问题大大简化,为研究实际气体奠定了基础。 低压下的实际气体可近似按理想气体对待。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-44 理想气
7、体混合物理想气体混合物(1) 混合物的组成(2) 理想气体混合物状态方程(3) 道尔顿定律(4) 阿马加定律上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(1) 混合物的组成混合物的组成AABBBnnyx或a 摩尔分数x或y:b 质量分数AABBmmw1BBw1BBx1BBy显然或c 体积分数AAmABmBBVxVx,1BB上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(2) 理想气体混合物状态方程理想气体混合物状态方程 理想气体混合物状态方程为:RTnRTnpVBB总RTMmpVmix上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(3) 道尔顿定律与分压力道尔顿定律与分压力VRTnp总VRT
8、nnBABBBBBApVRTnVRTnVRTn 道尔顿定律: 混合气体的总压力等于各组分单独存在于混合气体的温度、体积条件下所产生压力的总和。 见下页图适用于理想气体和低压气体。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4道尔顿定律示意图道尔顿定律示意图 :组分A :组分B VRTnp总总VRTnpAA上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(3) 道尔顿定律与分压力道尔顿定律与分压力总pypBB它适用于理想气体、低压气体及非理想气体。 分压力 在总压为p的混合气体中,任一组分B的分压力pB是它的摩尔分数yB与混合气体总压力p的乘积。 道尔顿定律与分压力的比较上一内容下一内容回主目录O
9、返回2022-6-4(3) 道尔顿定律与分压力道尔顿定律与分压力VRTnVRTnnnpypBBBBBBB总此时,分压力与道尔顿定律相同,均可适用。对理想气体或低压气体: 对非理想气体:总pypBBVRTnB对非理想气体道尔顿定律不再适用,而分压力可适用。此时分压力可通过实验测定或计算。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(3) 道尔顿定律与分压力道尔顿定律与分压力例: 某温度下 42221ONNO初始0p0 02NOp2021NOpp T时刻22021NONOpppp总022pppNO总上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4(4) 阿马格分体积定律阿马格分体积定律BBVV阿马
10、格定律:理想气体混合物的总体积V等于各组分分体积之和。即:pRTnVBB 为理想气体混合物中任一组分 B 的分体积,即纯 B 单独存在于混合气体的温度、总压力条件下所占有的体积。其数学式:*BV综合道尔顿定律和阿马加定律可得:ppVVnnyBBBB上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4212tEmu2211223233tpVNmumuNENBpVNk TB32tEk T,32t mERT由和得对1mol气体平动能与温度成正比上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-41103145. 8KmolJTpVRpm只有在压力趋于零的极限条件下,各种气体的pVT行为才准确服从理想气体状态方程
11、。此时摩尔气体常数RR 是通过实验测定确定出来的。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4020406080100 120100015002000250030003500400045005000p / MPapVm/ Jmol-1N2HeCH4 p0时: pVm=2494.35 JmolR=pVm/T=8.3145 JmolK-1例:300 K时,测定N2、He、CH4的pVm p 关系,作图上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4 对一定量的理想气体,例如是1mol,pVm=RT,式中三个变量p,V,T中,只有两个变量是独立的。如以p,V,T为空间坐标,当给定p,T值后,Vm的值
12、就不是任意的,其值由状态方程来决定。在空间坐标中的每一个点表示与该气体对应的每一个状态。所有符合理想气体的 该气体的众多状态点在空间坐标中构成一个曲面,这个曲面叫做理想气体的状态图,也称为相图。曲面上任意两个状态点之间都满足如下关系:1 12212pVp VTT上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4 在空间坐标系中,用等温面切割,就得到等温线;将不同温度时的等温线都画在同一个p-V图里,就得到p-V图里的等温线簇。 用等压面切割,就得到等压线;同样在V-t图可以得到等压线束。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-41 Maxwell速率分布定律3 分子速率的三个统计平均值2 速率
13、分布曲线上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-41 Maxwell速率分布定律Maxwell速率分布定律 当气体分子处于稳定状态时,速率的分布遵循一定的统计规律。 Maxwell从分子落在某速率区间中的概率出发,使用求条件极值的Lagrange乘因子法,得出速率分布定律1.5224( )exp22mmfkTkT式中f()是一个与及温度有关的函数,称为分布函数。是速率在至d范围内的分子占总分子数的分数。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4速率分布曲线与温度对分布曲线的影响 图1.8即为分子速率分布曲线。纵坐标代表速率介于 +d之间的分子占总分子数的分数,横坐标代表速率。 温度升高
14、曲线变宽,速率分布变宽;温度降低曲线变陡,速率分布集中。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4B22mk TRTmMB8ak TmB3k Tum最概然速率数学平均速率均方根速率三种速率之比BBB283:1:1.128:1.224mak Tk Tk Tummm上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4 由分子平动能公式E=(1/2)m2和速率分布公式出发很容易导出分子的平动能分布公式。121.521( )EkTf EeEkT 以能量分布函数f(E)为纵坐标,能量为横坐标的能量分布曲线如右所示。曲线下面的面积等于1。曲线下任意区间的面积(如阴影面积)代表能量落在该区间的分子占总分子数中
15、的分数。温度升高,曲线变平坦。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4 在重力场中,气体分子受到两种相反的作用。无规则热运动使气体分子均匀分布于它们所能达到的空间,而重力的作用则使较重的分子向下聚集。达到平衡时,气体分子在空间中并非均匀分布,其密度随高度的增加而减少。 设在高度为h处的压力为p,高度为h+dh处的压力为p-dp,两层的压力差为dp = -gdh。假定气体符合理想气体公式,则=Mp/(RT),代入上式后得ddpMghpRT上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-400lnexppMghMghpppRTRT 或 假定在0h的高度范围内温度不变,设海平面(0)处的压力为p0
16、,积分后得在同一温度下 p/p0=n/n0= /0,则有00expexpMghMghnnRTRT或以上各式均称为玻尔兹曼公式。上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4 已知某山区,其地面的大气压力为1.013105Pa,山顶的大气压力为7.980104Pa,若近似的认为山上和山下的温度相同,都是300K。请计算山顶的高度(设空气在此范围内组成不变,其摩尔质量为28.910-3kgmol-1)。解 根据压力与高度关系式-1-1503-1-248.31J molK300K1.013 10lnln28.9 10 kg mol9.8m s7.98 10210.3mpRThMgp上一内容下一内容回
17、主目录O返回2022-6-4实际气体就会表现出非理想性:在温度足够低、压力足够大时会变成液体;其pVT性质偏离理想气体状态方程。 物质无论以何种状态存在,其内部分子之间都存在着相互作用分子间力(吸引力+排斥力)126rBrAEEE排斥吸引1.实际气体的行为 2.范德华方程 3.其他状态方程式上一内容下一内容回主目录O返回2022-6-4mpVpVZnRTRT 在压力较高或温度较低时,实际气体与理想气体的偏差较大。今引入压缩因子来修正理想气体状态方程,来描述实际气体的pVT 性质: Z的单位为1。Z的大小反映了真实气体对理想气体的偏差程度理想真实mmVVZ 上一内容下一内容回主目录O返回2022
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