氣體
| 三態圖（分子之間嘅距離）：固態 (solid)，液態 (liquid)，氣態 (gas) |
| 氣體（粵拼：Hei3 Tai2），或者氣態（粵拼：Hei3 Taai3）係物質存在嘅一種相態。比起固態同液態，氣體分子距離最遠。氣體冇固定嘅形狀，冇固定體積。氣體體積同壓力成一個溫度常數。 |
物質嘅氣態喺液態同埋等離子態之間出現，[1] 後者提供咗氣體嘅高溫界限。喺溫度刻度嘅低端邊界係退化量子氣體，[2] 呢啲氣體正喺度受到越來越多嘅關注。[3] 高密度原子氣體超冷到極低溫度，根據佢哋嘅統計行為分類做玻色氣體或者費米氣體。要睇吓呢啲奇異物質狀態嘅全面列表，請睇物質狀態列表。
元素氣體
[編輯]唯一喺STP下穩定嘅雙原子同核分子氣體嘅化學元素係氫（H2）、氮（N2）、氧（O2）同埋兩種鹵素：氟（F2）同埋氯（Cl2）。當同單原子惰性氣體 – 氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）同埋氡（Rn） – 分組嘅時候，呢啲氣體就叫做「元素氣體」。
詞源
[編輯]「gas」呢個字首先喺17世紀初期法蘭德斯化學家揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特用。[4] 佢辨認出二氧化碳，除咗空氣之外第一種已知嘅氣體。[5] 范·海爾蒙特個字似乎只係古希臘文 χάος 'chaos' 嘅語音轉錄 – 荷蘭文嘅「g」發音好似「loch」入面嘅「ch」（清軟顎擦音，/x/）– 喺呢種情況下，范·海爾蒙特只係遵循咗煉金術嘅慣用用法，第一次喺帕拉塞爾蘇斯嘅作品入面證明咗。根據帕拉塞爾蘇斯嘅術語，「chaos」嘅意思係類似'超稀有嘅水'。[6]
另一種講法係范·海爾蒙特個術語係嚟自「gahst（或者geist），意思係鬼或者靈魂」。[7] 《牛津英語詞典》嘅編輯唔相信呢個講法。[8] 相反，法裔美國歷史學家雅克·巴爾贊推測范·海爾蒙特係從德文 Gäscht 借咗呢個字，意思係發酵產生嘅泡沫。[9]
物理特性
[編輯]因為大多數氣體都好難直接觀察，所以佢哋係通過使用四種物理性質或者宏觀特性嚟描述嘅：壓力、體積、粒子數量（化學家用摩爾嚟分組）同埋溫度。呢四種特性羅伯特·波義耳、雅克·查理、約翰·道爾頓、約瑟夫·路易·蓋-呂薩克同埋阿莫迪歐·阿伏伽德羅等科學家喺各種環境入面對各種氣體進行咗重複觀察。佢哋嘅詳細研究最終導致咗呢啲性質之間嘅數學關係，由理想氣體定律表達（睇下面嘅§ 理想同完美氣體章節）。
氣體粒子彼此之間廣泛分離，因此，佢哋嘅分子間鍵比液體或者固體弱。呢啲分子間力係由氣體粒子之間嘅靜電相互作用產生嘅。唔同氣體粒子嘅同電荷區域會互相排斥，而唔同氣體粒子嘅異電荷區域會互相吸引；包含永久帶電離子嘅氣體叫做等離子體。具有極性共價鍵嘅氣態化合物包含永久電荷唔平衡，因此會經歷相對強嘅分子間力，儘管化合物嘅淨電荷保持中性。瞬時、隨機誘導嘅電荷存在於非極性共價鍵分子中，由佢哋引起嘅靜電相互作用叫做范德華力。呢啲分子間力嘅相互作用喺一種物質入面變化，決定咗每種氣體獨有嘅好多物理性質。[10][11] 對於由離子鍵同共價鍵形成嘅化合物嘅「沸點」嘅比較引導我哋得出呢個結論。[12]
同其他物質狀態相比，氣體具有低密度同黏度。壓力同溫度會影響特定體積入面嘅粒子。粒子分離同速度嘅呢種變化叫做「可壓縮性」。呢種粒子分離同尺寸會影響氣體嘅光學性質，可以喺下面嘅折射率列表入面搵到。最後，氣體粒子會擴散開或者瀰漫，以便喺任何容器入面均勻分佈。
氣體嘅宏觀視角
[編輯]當觀察氣體嘅時候，通常要指定一個參考系或者長度尺度。較大嘅長度尺度對應於氣體嘅宏觀或者整體觀點。呢個區域（叫做體積）嘅尺寸必須足夠大，先至可以包含大量嘅氣體粒子樣本。對呢個樣本量進行統計分析產生咗區域內所有氣體粒子嘅「平均」行為（即係速度、溫度或者壓力）。相反，較細嘅長度尺度對應於微觀或者粒子觀點。
喺宏觀上，測量到嘅氣體特性要麼係根據氣體粒子本身（速度、壓力或者溫度），要麼係根據佢哋嘅周圍環境（體積）。例如，羅伯特·波義耳喺佢職業生涯嘅一小部分研究咗氣動化學。佢其中一個實驗將氣體嘅宏觀性質壓力同體積聯繫起來。佢嘅實驗用咗一個J形管壓力計，睇起來好似一個J字形嘅試管。波義耳用一柱水銀將惰性氣體困喺試管嘅封閉端，從而使粒子數量同溫度保持恆定。佢觀察到，當通過向柱入面添加更多水銀嚟增加氣體嘅壓力嗰陣時，被困氣體嘅體積會減少（呢個叫做反關係）。此外，當波義耳將每次觀察嘅壓力同體積相乘嗰陣時，乘積係恆定嘅。呢種關係適用於波義耳觀察到嘅每種氣體，從而得出咗定律，（PV=k），以紀念佢喺呢個領域嘅工作。
有好多數學工具可以用嚟分析氣體性質。波義耳嘅實驗室設備允許使用簡單嘅計算嚟獲得佢嘅分析結果。佢嘅結果之所以有可能，係因為佢喺相對低壓嘅情況下研究氣體，喺嗰度佢哋嘅行為好似「理想」嘅方式。呢啲理想關係適用於各種飛行條件下使用嘅材料嘅安全計算。然而，今日使用嘅高科技設備係設計嚟幫助我哋安全探索更奇異嘅操作環境，喺嗰度氣體嘅行為唔再好似「理想」嘅方式。隨著氣體受到極端條件嘅影響，解釋佢哋嘅工具變得更加複雜，從歐拉方程（用於無黏性流動）到納維-斯托克斯方程[13]，後者充分考慮咗黏性效應。呢種高級數學，包括統計學同多元微積分，適用於所討論嘅氣體系統嘅條件，使得解決太空飛行器重返大氣層等複雜嘅動態情況成為可能。一個例子係對圖中太空穿梭機重返大氣層嘅分析，以確保呢種載荷條件下嘅材料性質係合適嘅。喺呢種飛行情況下，氣體唔再以理想嘅方式表現。
壓力
[編輯]方程入面用嚟表示壓力嘅符號係「p」或者「P」，SI 單位係帕斯卡。
當描述一個氣體容器嗰陣時，壓力（或者絕對壓力）呢個術語係指氣體施加喺容器表面嘅平均每單位面積嘅力。喺呢個體積入面，有時更容易將氣體粒子想像成直線運動，直到佢哋同容器碰撞（睇頂部嘅圖解）。氣體粒子喺碰撞期間傳遞到容器嘅力係粒子動量嘅變化。[14] 喺碰撞期間，只有速度嘅法線分量發生變化。平行於牆壁行進嘅粒子唔會改變佢嘅動量。因此，表面上嘅平均力必須係嚟自所有呢啲氣體粒子碰撞嘅線動量嘅平均變化。
壓力係粒子撞擊容器壁所施加嘅力嘅所有法線分量嘅總和，除以牆壁嘅表面積。
溫度
[編輯]方程入面用嚟表示「溫度」嘅符號係「T」，SI 單位係開爾文。
氣體粒子嘅速度同佢嘅絕對溫度成正比。影片入面嘅氣球體積喺被困氣體粒子因為添加極冷嘅氮而減速嗰陣時收縮。任何物理系統嘅溫度都同組成[氣體]系統嘅粒子（分子同原子）嘅運動有關。[15] 喺統計力學入面，溫度係儲存在分子入面嘅平均動能嘅度量（亦都叫做熱能）。儲存呢種能量嘅方法由分子本身嘅自由度決定（能量模式）。添加到氣體或者液體嘅熱（動）能（吸熱過程）產生平移、旋轉同振動運動。相反，固體只能通過激發額外嘅振動模式嚟增加佢嘅內能，因為晶格結構阻止咗平移同旋轉運動。呢啲受熱嘅氣體分子具有更大嘅速度範圍（更廣嘅速度分佈），具有更高嘅平均或者「平均」速度。呢個分佈嘅變異係由於個別粒子嘅速度不斷變化，係由於同其他粒子嘅重複碰撞。速度範圍可以用麥克斯韋-玻爾茲曼分佈嚟描述。使用呢個分佈意味住理想氣體接近所考慮嘅粒子系統嘅熱力學平衡。
比容
[編輯]方程入面用嚟表示比容嘅符號係「v」，SI 單位係立方米每公斤。
方程入面用嚟表示體積嘅符號係「V」，SI 單位係立方米。
當執行熱力學分析嘅時候，通常會講到內含性質同外延性質。取決於氣體量（按質量或者體積）嘅性質叫做「外延」性質，而唔取決於氣體量嘅性質叫做內含性質。比容係內含性質嘅一個例子，因為佢係氣體嘅「單位質量」佔據嘅體積嘅比率，喺平衡狀態下嘅整個系統入面係相同嘅。[16] 1000個原子嘅氣體佔據嘅空間同任何其他1000個原子喺任何給定溫度同壓力下佔據嘅空間相同。對於固體（例如鐵），呢個概念更容易視覺化，固體同氣體相比係不可壓縮嘅。然而，體積本身 --- 唔係比容 --- 係外延性質。
密度
[編輯]方程入面用嚟表示密度嘅符號係ρ（rho），SI 單位係公斤每立方米。呢個術語係比容嘅倒數。
由於氣體分子可以喺容器入面自由移動，所以佢哋嘅質量通常用密度嚟表徵。密度係物質每單位體積嘅質量，或者係比容嘅倒數。對於氣體，密度可以喺好廣嘅範圍內變化，因為當受到壓力或者體積嘅約束嗰陣時，粒子可以自由咁移動得更近。密度嘅呢種變化叫做可壓縮性。同壓力同溫度一樣，密度係氣體嘅狀態變數，任何過程中密度嘅變化都由熱力學定律支配。對於靜態氣體，密度喺整個容器入面係相同嘅。因此，密度係純量。動力學理論可以證明，密度同固定質量嘅氣體被限制嘅容器嘅大小成反比。喺固定質量嘅情況下，密度隨著體積嘅增加而減少。
氣體嘅微觀視角
[編輯]
如果可以用強大嘅顯微鏡觀察氣體，就會睇到一堆冇確定形狀或者體積嘅粒子，佢哋喺或多或少隨機嘅運動。呢啲氣體粒子只有喺同另一個粒子或者容器嘅邊碰撞嗰陣時先會改變方向。氣體嘅呢個微觀視角可以用統計力學嚟好好描述，但係佢可以用好多唔同嘅理論嚟描述。「氣體動力論」假設呢啲碰撞係完全彈性嘅，冇考慮到吸引力同排斥力嘅分子間力。
氣體動力論
[編輯]動力學理論通過考慮氣體嘅分子組成同運動，提供咗對氣體宏觀性質嘅深入了解。從動量同動能嘅定義開始，[17] 可以使用動量守恆同立方體嘅幾何關係，將溫度同壓力嘅宏觀系統性質同每個分子嘅動能嘅微觀性質聯繫起來。該理論提供咗呢兩種性質嘅平均值。
「氣體動力論」可以幫助解釋系統（所考慮嘅氣體粒子集合）點樣響應溫度嘅變化，以及動能嘅相應變化。
例如：想像一下你有一個固定大小（「恆定」體積）嘅密封容器，入面包含固定數量嘅氣體粒子；從絕對零度（原子或者分子冇熱能嘅理論溫度，即係唔移動或者振動）開始，你開始通過加熱容器向系統添加能量，咁樣能量就會傳遞到入面嘅粒子。一旦佢哋嘅內能高於零點能量，意味住佢哋嘅「動」能（亦都叫做「熱」能）唔係零，氣體粒子就會開始喺容器入面移動。隨著盒子進一步加熱（隨著更多能量嘅添加），個別粒子嘅平均速度會隨著系統嘅總內能嘅增加而增加。所有粒子嘅較高平均速度導致速率增加，喺呢個速率下碰撞發生（即係每單位時間嘅碰撞次數更多），喺粒子同容器之間，以及粒子之間。
「宏觀」嘅、可測量嘅「壓力」量，係呢啲「微觀」粒子同表面碰撞嘅直接結果，喺表面上，單個分子施加一個細力，每個分子都對特定區域內施加嘅總力做出貢獻。（「睇睇§ 壓力。」）
同樣，「溫度」嘅宏觀可測量量，係粒子表現出嘅總體「運動或者動能」量嘅量化。（「睇睇§ 溫度。」）
熱運動同統計力學
[編輯]喺「氣體動力論」入面，動能被假定為純粹由根據系統入面「粒子」嘅速度分佈嘅線性平移組成。然而，喺「真實氣體」同埋其他真實物質入面，定義系統動能嘅運動（共同決定溫度），比簡單嘅線性平移複雜得多，因為分子嘅結構比單原子更複雜，單原子嘅作用類似於質點。喺真實嘅熱力學系統入面，量子現象喺決定熱運動方面起著重要作用。分子入面嘅隨機、熱運動（動能）係一組有限嘅可能運動嘅組合，包括平移、旋轉同振動。呢組有限嘅可能運動，連同系統入面有限嘅分子組，導致系統內有限數量嘅「微觀狀態」；我哋將所有微觀狀態嘅集合叫做「系綜」。針對原子或者分子系統，根據情況，我哋可能有三種唔同嘅系綜：微canonical系綜、canonical系綜或者巨canonical系綜。系綜入面微觀狀態嘅特定組合係我哋真正定義系統「宏觀狀態」（溫度、壓力、能量等）嘅方式。為咗做到呢一點，我哋首先必須通過使用「配分函數」嚟計嗮所有微觀狀態。統計力學同配分函數嘅使用喺整個物理化學入面都係一個重要嘅工具，因為佢係系統嘅微觀狀態同我哋可以測量嘅宏觀變數之間嘅關鍵聯繫，例如溫度、壓力、熱容、內能、焓同熵，只係舉幾個例子。（「睇睇」：配分函數嘅意義同重要性）
使用配分函數嚟搵分子或者分子系統嘅能量，有時可以用均分定理嚟近似，呢個定理大大簡化咗計算。然而，呢種方法假設所有分子自由度都係均勻分佈嘅，因此都係均勻噉用於儲存分子內部嘅能量。佢會暗示內能隨溫度線性變化，但係事實並非如此。呢個忽略咗熱容隨溫度變化嘅事實，原因係某啲自由度喺較低溫度下係唔可到達嘅（又名「凍結咗」）。隨著分子嘅內能增加，喺額外自由度入面儲存能量嘅能力都隨之增加。隨著更多自由度變得可用於容納能量，呢個會導致物質嘅摩爾熱容增加。[18]
布朗運動
[編輯]布朗運動係用於描述懸浮喺流體入面嘅粒子嘅隨機運動嘅數學模型。氣體粒子動畫，使用粉紅色同綠色粒子，說明咗呢種行為點樣導致氣體嘅擴散（熵）。呢啲事件亦都由粒子理論描述。
由於觀察單個氣體粒子（原子或者分子）處於（或者超出）當前技術嘅極限，只有理論計算先至會提供關於佢哋點樣運動嘅建議，但係佢哋嘅運動同布朗運動唔同，因為布朗運動涉及由於好多氣體分子嘅摩擦力引起嘅平滑阻力，並被單個（或者幾個）氣體分子同粒子嘅劇烈碰撞打斷。因此，粒子（通常由數百萬或者數十億個原子組成）以鋸齒狀嘅路徑移動，但係如果檢查單個氣體分子，就唔會咁鋸齒狀。
分子間力 - 「真實」氣體同「理想」氣體之間嘅主要區別
[編輯]兩個或者多個分子或者原子之間嘅力，無論係吸引力定係排斥力，都叫做「分子間力」。當分子彼此之間物理上接近嗰陣時，分子會感受到分子間力。[19][20] 呢啲力對於正確咁模擬分子系統非常重要，以便準確咁預測「任何」系統入面分子嘅微觀行為，因此，對於準確咁預測氣體（同液體）喺廣泛物理條件變化下嘅物理性質係必要嘅。
嚟自物理化學嘅研究，整個物理學中最突出嘅分子間力之一係「范德華力」。范德華力喺決定幾乎所有流體嘅物理性質（例如黏度、流速同埋氣體動力學（睇物理特性章節））方面起著關鍵作用。氣體分子之間嘅范德華相互作用，係點解模擬「真實氣體」比「「理想」氣體」喺數學上更困難嘅原因。「忽略」呢啲依賴於接近程度嘅力，就可以將真實氣體當作理想氣體嚟處理，呢個會大大簡化計算。
兩個氣體分子之間嘅分子間吸引力同排斥力取決於佢哋之間嘅距離。組合嘅吸引力同排斥力可以用倫納-瓊斯勢嚟好好模擬，[21][22] 佢係所有描述分子系統位能嘅原子間勢入面研究得最廣泛嘅一種。由於普遍適用性同重要性，倫納-瓊斯模型系統通常被稱為「倫納-瓊斯ium」。[23][24] 分子之間嘅倫納-瓊斯勢可以分解為兩個獨立嘅組件：由於倫敦色散力引起嘅長距離吸引力，同埋由於電子-電子交換相互作用（同包立不相容原理有關）引起嘅短程排斥力。
當兩個分子相對遙遠（意味住佢哋具有高「位」能）嗰陣時，佢哋會感受到微弱嘅吸引力，導致佢哋互相靠近，降低佢哋嘅位能。然而，如果分子「太遠」，咁佢哋就唔會感受到任何顯著嘅吸引力。此外，如果分子「太近」，咁佢哋就會碰撞，並且會感受到「非常高」嘅排斥力（用硬球模型模擬），呢個「力比吸引力強得多」，因此任何由於接近程度引起嘅吸引力都會被忽略。
當兩個分子從「既唔太遠，「亦都唔太近」」嘅距離接近嗰陣時，佢哋嘅吸引力會隨著佢哋位能嘅幅度增加（變得更負）而增加，並降低佢哋嘅總內能。[25] 只有當分子喺物理上「移動」得更近所需嘅持續時間內保持接近嗰陣時，先至會發生導致分子更接近嘅吸引力。因此，當分子以「低速」運動嗰陣時，吸引力最強。呢意味住當氣體溫度「低」嗰陣時，分子之間嘅吸引力係「顯著」嘅。然而，如果你要等溫壓縮呢種冷氣體到一個細體積入面，「迫使」分子緊密接近，並提高壓力，排斥力就會開始支配吸引力，因為碰撞發生嘅速率會顯著增加。因此，喺低溫同低壓下，「吸引力」係主要嘅分子間相互作用。
如果兩個分子以高速、沿任意方向、沿非相交路徑運動，咁佢哋就唔會花足夠嘅時間喺接近程度入面，從而受到吸引力嘅倫敦色散力嘅影響。如果兩個分子碰撞，佢哋嘅運動速度太快，佢哋嘅動能將遠大於任何吸引位能，因此佢哋只會在碰撞時感受到排斥力。因此，由於高速，分子之間嘅吸引力喺「高溫」下可以忽略不計。喺高溫同高壓下，「排斥力」係主要嘅分子間相互作用。
考慮到上述引起呢啲吸引力同排斥力嘅效應，「真實氣體」通過以下概括同「理想氣體」模型劃分開嚟：[26]
喺低溫同低壓下，真實氣體佔據嘅體積「小於」理想氣體定律預測嘅體積。
喺高溫同高壓下，真實氣體佔據嘅體積「大於」理想氣體定律預測嘅體積。
數學模型
[編輯]「狀態方程」（對於氣體）係一個數學模型，用於粗略噉描述或者預測氣體嘅狀態性質。目前，冇單一嘅狀態方程可以準確噉預測所有條件下所有氣體嘅性質。因此，已經為特定溫度同壓力範圍內嘅氣體開發咗好多更準確嘅狀態方程。「氣體模型」入面討論得最多嘅係「完美氣體」、「理想氣體」同「真實氣體」。呢啲模型入面嘅每一個都有自己嘅一組假設，以方便分析給定嘅熱力學系統。[27] 每個後續模型都擴大咗佢適用嘅溫度範圍。
理想同完美氣體
[編輯]
其中「P」係壓力，「V」係體積，「n」係氣體量（以摩爾單位），「R」係通用氣體常數， 8.314 J/(mol K)，而「T」係溫度。用呢種方式寫，佢有時叫做「化學家嘅版本」，因為佢強調分子數量「n」。佢亦都可以寫成：
其中 係特定氣體嘅比氣體常數，單位係 J/(kg K)，而 ρ = m/V 係密度。呢個符號係「氣體動力學家」嘅版本，喺模擬涉及冇化學反應嘅加速嘅氣體流動方面更實用。
理想氣體定律冇對氣體嘅熱容做出假設。喺最一般嘅情況下，比熱係溫度同壓力嘅函數。如果喺特定應用入面忽略壓力依賴性（可能仲有溫度依賴性），有時氣體就叫做完美氣體，儘管確切嘅假設可能因作者同/或科學領域而異。
對於理想氣體，理想氣體定律適用，對比熱冇限制。理想氣體係一個簡化嘅「真實氣體」，假設壓縮因子「Z」設置為 1，意味住呢個氣動比率保持恆定。壓縮因子為 1 亦都要求四個狀態變數遵循理想氣體定律。
呢個近似更適合工程應用，儘管可以使用更簡單嘅模型嚟生成「大致範圍」，說明真實解應該喺邊度。 「理想氣體近似」適用嘅一個例子係燃燒室內部嘅噴射引擎。[28] 對於計算排放，保持基本反應同化學離解都可能有用。
真實氣體
[編輯]
下面列出嘅每個假設都增加咗問題解決方案嘅複雜性。隨著氣體密度隨著壓力升高而增加，分子間力喺氣體行為入面起著更重要嘅作用，呢個導致理想氣體定律唔再提供「合理」嘅結果。喺引擎溫度範圍嘅高端（例如燃燒器部分 – 1300 K），複雜嘅燃料粒子通過旋轉同振動吸收內能，呢啲旋轉同振動導致佢哋嘅比熱同雙原子分子同惰性氣體嘅比熱唔同。喺超過該溫度兩倍嘅溫度下，氣體粒子嘅電子激發同離解開始發生，導致壓力調整到更多嘅粒子（從氣體過渡到等離子體）。[29] 最後，所有熱力學過程都被假定為描述均勻氣體，佢哋嘅速度根據固定分佈變化。使用非平衡狀態意味住必須以某種方式表徵流場先至可以實現解決方案。擴展理想氣體定律邊界嘅第一個嘗試之一係通過調整方程嚟包含唔同熱力學過程嘅覆蓋範圍，使方程讀作「pVn = 常數」，然後通過唔同嘅值（例如比熱比，「γ」）嚟改變「n」。
真實氣體效應包括為咗解釋更廣泛嘅氣體行為而做出嘅調整：
對於大多數應用，咁樣嘅詳細分析係過度嘅。真實氣體效應會產生重大影響嘅例子係太空穿梭機嘅重返大氣層，喺嗰度存在極高嘅溫度同壓力，或者地質事件期間產生嘅氣體，例如1990年雷多布特火山爆發嘅圖像入面嘅氣體。
永久氣體
[編輯]永久氣體係用於描述臨界溫度低於正常人類可居住溫度範圍嘅氣體嘅術語，因此喺呢個範圍內嘅壓力下唔可以液化。歷史上，呢啲氣體被認為係唔可能液化嘅，因此將永遠保持氣態。該術語同環境溫度下高壓氣體嘅儲存同運輸有關。[30]
歷史研究
[編輯]波義耳定律
[編輯]
波義耳定律可能係狀態方程嘅第一個表達式。喺1662年，羅伯特·波義耳進行咗一系列實驗，使用咗一個J形玻璃管，一端係密封嘅。將水銀添加到管入面，將固定量嘅空氣困喺管嘅短而密封嘅一端。然後，隨著向管入面添加額外嘅水銀，仔細測量氣體嘅體積。氣體嘅壓力可以通過管嘅短端入面嘅水銀水平同長嘅開放端入面嘅水銀水平之間嘅差異嚟確定。波義耳設備嘅圖像顯示咗波義耳喺研究氣體期間使用嘅一啲奇特工具。
通過呢啲實驗，波義耳注意到，喺恆定溫度下保持嘅氣體施加嘅壓力同氣體嘅體積成反比。[31] 例如，如果體積減半，壓力就會加倍；如果體積加倍，壓力就會減半。鑑於壓力同體積之間嘅反比關係，對於給定質量嘅受限氣體，只要溫度恆定，壓力（「P」）同體積（「V」）嘅乘積就係一個常數（「k」）。用公式表示，即係：
因為固定量嘅氣體嘅前後體積同壓力（其中前後溫度相同）都等於常數「k」，所以佢哋可以用以下方程聯繫起來：
查理定律
[編輯]喺1787年，法國物理學家同熱氣球先驅雅克·查理發現，氧氣、氮氣、氫氣、二氧化碳同空氣喺相同嘅80開爾文間隔內膨脹嘅程度相同。佢注意到，對於恆定壓力下嘅理想氣體，體積同佢嘅溫度成正比：
蓋-呂薩克定律
[編輯]喺1802年，約瑟夫·路易·蓋-呂薩克發表咗類似但更廣泛嘅實驗結果。[32] 蓋-呂薩克通過以查理嘅名字命名定律嚟讚揚查理早期嘅工作。蓋-呂薩克本人因描述壓力嘅定律而受到讚譽，佢喺1809年發現咗呢個定律。佢指出，理想氣體施加喺容器壁上嘅壓力同佢嘅溫度成正比。
阿伏伽德羅定律
[編輯]喺1811年，阿莫迪歐·阿伏伽德羅驗證咗相同體積嘅純氣體包含相同數量嘅粒子。佢嘅理論直到1858年先至被普遍接受，當時另一位意大利化學家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅能夠解釋非理想嘅例外情況。為咗紀念佢喺一個世紀前對氣體嘅研究，以佢嘅名字命名嘅物理常數（阿伏伽德羅常數）係每摩爾元素碳-12 嘅原子數（6.022×1023 mol−1）。喺標準溫度同壓力（理想氣體定律）下，呢個特定數量嘅氣體粒子佔據 22.40 升，呢個叫做摩爾體積。
阿伏伽德羅定律指出，理想氣體佔據嘅體積同體積入面嘅物質量成正比。呢個產生咗氣體嘅摩爾體積，喺STP下係 22.4 dm3/mol（升每摩爾）。關係式由下式給出 其中「n」係氣體嘅物質量（分子數量除以阿伏伽德羅常數）。
道爾頓定律
[編輯]
喺1801年，約翰·道爾頓根據佢對理想氣體定律關係嘅研究發表咗分壓定律：非反應性氣體混合物嘅壓力等於所有組成氣體單獨壓力嘅總和。喺數學上，呢個可以表示為「n」種物質：
- 壓力總 = 壓力1 + 壓力2 + ... + 壓力n
道爾頓嘅期刊圖像描繪咗佢用作速記嘅符號，以記錄佢遵循嘅路徑。喺佢關於混合非反應性「彈性流體」（氣體）嘅關鍵期刊觀察入面，有以下內容：[33]
- 同液體唔同，較重嘅氣體喺混合後唔會漂移到最底層。
- 氣體粒子嘅身份喺決定最終壓力方面冇作用（佢哋嘅行為好似佢哋嘅尺寸可以忽略不計）。
專題
[編輯]可壓縮性
[編輯]熱力學家用呢個因子（「Z」）嚟改變理想氣體方程，以解釋真實氣體嘅可壓縮性效應。呢個因子表示實際比容同理想比容嘅比率。佢有時叫做「權宜之計因子」或者校正，以擴大理想氣體定律嘅有用範圍，用於設計目的。「通常」呢個「Z」值非常接近於 1。壓縮因子圖像說明咗 Z 喺非常冷嘅溫度範圍內點樣變化。
邊界層
[編輯]
粒子實際上會「黏附」到喺佢入面移動嘅物體嘅表面。呢層粒子叫做邊界層。喺物體嘅表面，由於表面嘅摩擦力，佢基本上係靜止嘅。物體連同佢嘅邊界層實際上係物體嘅新形狀，其餘嘅分子喺物體接近嗰陣時「睇到」嘅係呢個形狀。呢個邊界層可以從表面分離，實際上產生一個新嘅表面，並完全改變流動路徑。呢個嘅經典例子係失速翼型。三角翼圖像清楚咁顯示咗邊界層隨著氣體沿前緣從右向左流動而變厚。
湍流
[編輯]
喺流體動力學入面，湍流或者湍流係一種流動狀態，其特徵係混亂、隨機嘅性質變化。呢包括低動量擴散、高動量對流，以及空間同時間入面壓力同速度嘅快速變化。魯賓遜·克魯索島周圍天氣嘅衛星視圖說明咗一個例子。
黏度
[編輯]黏度，一種物理性質，係衡量相鄰分子彼此之間黏附程度嘅指標。由於呢啲黏性分子間力嘅強度，固體可以承受剪切力。當流體受到類似載荷嘅時候，佢會不斷變形。雖然氣體嘅黏度值比液體低，但佢仍然係一個可觀察到嘅性質。如果氣體冇黏度，咁佢哋就唔會黏附到機翼表面並形成邊界層。對三角翼喺紋影圖像入面嘅研究表明，氣體粒子會互相黏附（睇邊界層章節）。
雷諾數
[編輯]喺流體力學入面，雷諾數係慣性力（「vsρ」）（喺湍流中佔主導地位）同黏性力（「μ/L」）（同黏度成正比）嘅比率。佢係流體動力學入面最重要嘅無量綱數之一，通常同其他無量綱數一齊使用，以提供確定動態相似性嘅標準。因此，雷諾數提供咗模型結果（設計）同全尺寸實際條件之間嘅聯繫。佢亦都可以用於表徵流動。
最大熵原理
[編輯]隨著自由度嘅總數接近無窮大，系統將會喺對應於最高重數嘅宏觀狀態入面搵到。為咗說明呢個原理，請觀察冷凍金屬棒嘅皮膚溫度。使用皮膚溫度嘅熱圖像，注意表面上嘅溫度分佈。溫度嘅呢個初始觀察代表咗一個「微觀狀態」。喺未來嘅某個時間，對皮膚溫度嘅第二次觀察產生咗第二個微觀狀態。通過繼續呢個觀察過程，有可能產生一系列微觀狀態，說明金屬棒表面嘅熱歷史。通過選擇成功噉將佢哋全部分類到單個分組入面嘅宏觀狀態，可以表徵呢個歷史微觀狀態系列。
熱力學平衡
[編輯]當能量傳遞從系統停止嗰陣時，呢個條件就叫做熱力學平衡。[34] 通常，呢個條件意味住系統同周圍環境處於相同嘅溫度，咁樣熱量唔再喺佢哋之間傳遞。佢亦都意味住外力係平衡嘅（體積唔會改變），並且系統內嘅所有化學反應都完成咗。[35] 呢啲事件嘅時間線因所討論嘅系統而異。一容器冰喺室溫下融化需要幾個鐘頭，而喺半導體入面，設備從開啟狀態過渡到關閉狀態所發生嘅熱傳遞可能喺幾納秒嘅量級。
睇埋
[編輯]
註釋
[編輯]- ↑ 呢個20世紀初期嘅討論推斷咗等離子態係點樣。睇睇美國化學學會、法拉第學會、化學學會（英國）嘅《物理化學期刊，第11卷》康奈爾（1907年）第137頁。
- ↑ Zelevinsky, Tanya (2009-11-09). "—just right for forming a Bose-Einstein condensate". Physics (英文). 2 (20): 94. arXiv:0910.0634. doi:10.1103/PhysRevLett.103.200401. PMID 20365964. S2CID 14321276.
- ↑ "Quantum Gas Microscope Offers Glimpse Of Quirky Ultracold Atoms". ScienceDaily (英文). 喺2023-02-06搵到.
- ↑ Helmont, Jan Baptist Van (1652). Ortus medicine, id est initial physicae inaudita... authore Joanne Baptista Van Helmont,... (拉丁文). apud L. Elzevirium. 「gas」呢個字第一次出現喺第58頁，佢喺嗰度提到：「... Gas (meum scil. inventum) ...」（... gas（即係，我嘅發現）...）。喺第59頁，佢話：「... in nominis egestate, halitum illum, Gas vocavi, non longe a Chao ...」（... 喺需要一個名嘅情況下，我將呢種蒸氣叫做「gas」，離「chaos」唔遠 ...）
- ↑ Ley, Willy (June 1966). "The Re-Designed Solar System". For Your Information. Galaxy Science Fiction. pp. 94–106.
- ↑ Template:OEtymD
- ↑ Draper, John William (1861). A textbook on chemistry. New York: Harper and Sons. p. 178.
- ↑ ""gas, n.1 and adj."". OED Online. Oxford University Press. June 2021.
There is probably no foundation in the idea (found from the 18th cent. onwards, e.g. in J. Priestley On Air (1774) Introd. 3) that van Helmont modelled gas on Dutch geest spirit, or any of its cognates
- ↑ Barzun, Jacques (2000). For Dawn to Decadence: 500 Years of Western Cultural Life. New York: HarperCollins Publishers. p. 199.
- ↑ 作者將金屬嘅分子力同埋佢哋相應嘅物理性質聯繫起來。通過推廣，呢個概念都適用於氣體，雖然唔係普遍適用。康奈爾（1907年）第164–5頁。
- ↑ 呢個物理性質聯繫嘅一個明顯例外係電導率，電導率根據物質狀態（水中嘅離子化合物）而變化，正如麥可·法拉第喺1833年指出冰唔導電嗰陣時描述嘅咁。睇睇約翰·廷德爾嘅《法拉第作為發現者》（1868年）第45頁。
- ↑ John S. Hutchinson (2008). Concept Development Studies in Chemistry. p. 67.
- ↑ 安德森，第501頁
- ↑ J. Clerk Maxwell (1904). Theory of Heat. Mineola: Dover Publications. pp. 319–20. ISBN 978-0-486-41735-6.
- ↑ 睇睇學會，康奈爾（1907年）第137–8頁。
- ↑ Kenneth Wark (1977). Thermodynamics (第3版). McGraw-Hill. p. 12. ISBN 978-0-07-068280-1.
- ↑ 有關動力學理論嘅假設，請睇麥克弗森，第60–61頁
- ↑ Jeschke, Gunnar (26 November 2020). "Canonical Ensemble". 原先內容歸檔喺2021-05-20.
- ↑ Fischer, Johann; Wendland, Martin (October 2023). "On the history of key empirical intermolecular potentials". Fluid Phase Equilibria (英文). 573: 113876. Bibcode:2023FlPEq.57313876F. doi:10.1016/j.fluid.2023.113876.
- ↑ "Intermolecular and Surface Forces", Elsevier, 2011, pp. iii, doi:10.1016/b978-0-12-391927-4.10024-6, ISBN 978-0-12-391927-4, 喺2024-07-01搵到
{{citation}}: Missing or empty|title=(help) - ↑ Lenhard, Johannes; Stephan, Simon; Hasse, Hans (June 2024). "On the History of the Lennard-Jones Potential". Annalen der Physik (英文). 536 (6). doi:10.1002/andp.202400115. ISSN 0003-3804.
- ↑ Jones, J. E. (October 1924). "On the determination of molecular fields. —II. From the equation of state of a gas". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character (英文). 106 (738): 463–477. Bibcode:1924RSPSA.106..463J. doi:10.1098/rspa.1924.0082. ISSN 0950-1207.
- ↑ Lenhard, Johannes; Stephan, Simon; Hasse, Hans (February 2024). "A child of prediction. On the History, Ontology, and Computation of the Lennard-Jonesium". Studies in History and Philosophy of Science (英文). 103: 105–113. doi:10.1016/j.shpsa.2023.11.007. PMID 38128443.
{{cite journal}}: Check|pmid=value (help) - ↑ Stephan, Simon; Thol, Monika; Vrabec, Jadran; Hasse, Hans (2019-10-28). "Thermophysical Properties of the Lennard-Jones Fluid: Database and Data Assessment". Journal of Chemical Information and Modeling (英文). 59 (10): 4248–4265. doi:10.1021/acs.jcim.9b00620. ISSN 1549-9596. PMID 31609113.
- ↑ "Lennard-Jones Potential - Chemistry LibreTexts". 2020-08-22. 原著喺2020-08-22歸檔. 喺2021-05-20搵到.
- ↑ "14.11: Real and Ideal Gases - Chemistry LibreTexts". 2021-02-06. 原著喺2021-02-06歸檔. 喺2021-05-20搵到.
- ↑ 安德森，第289–291頁
- ↑ 約翰，第205頁
- ↑ 約翰，第247–56頁
- ↑ "Permanent gas". www.oxfordreference.com. Oxford University Press. 喺3 April 2021搵到.
- ↑ 麥克弗森，第52–55頁
- ↑ 麥克弗森，第55–60頁
- ↑ John P. Millington (1906). John Dalton. pp. 72, 77–78.
- ↑ "Definition of THERMODYNAMIC EQUILIBRIUM". www.merriam-webster.com (英文). 喺2024-12-29搵到.
- ↑ Balmer, Robert T. (2011). "Thermodynamic Concepts". Modern Engineering Thermodynamics: 33–56. doi:10.1016/B978-0-12-374996-3.00002-6.
參考文獻
[編輯]- Anderson, John D. (1984). Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill Higher Education. ISBN 978-0-07-001656-9.
- John, James (1984). Gas Dynamics. Allyn and Bacon. ISBN 978-0-205-08014-4.
- McPherson, William; Henderson, William (1917). An Elementary study of chemistry.
延伸閱讀
[編輯]
- Philip Hill and Carl Peterson. Mechanics and Thermodynamics of Propulsion: Second Edition Addison-Wesley, 1992. ISBN 0-201-14659-2
- National Aeronautics and Space Administration (NASA). Animated Gas Lab. Accessed February 2008.
- Georgia State University. HyperPhysics. Accessed February 2008.
- Antony Lewis WordWeb. Accessed February 2008.
- Northwestern Michigan College The Gaseous State. Accessed February 2008.
- Lewes, Vivian Byam; Lunge, Georg (1911)。. 《大英百科全書》 (英文)。第11卷 (第11版)。頁 481–493。