问题

理想气体方程 pV=nRT 如何推导?

回答
好的,让我们一步步来梳理一下理想气体方程 $pV=nRT$ 的推导过程。这背后其实融合了几个重要的气体实验定律,我们得先从这些基础说起。

1. 理论基础:从气体实验定律出发

首先,要理解 $pV=nRT$ 是如何诞生的,我们需要回顾几个世纪前科学家们通过大量实验观察到的关于气体的行为规律。这些规律描述了气体的压强($p$)、体积($V$)、温度($T$)和物质的量($n$)之间的关系。

波义耳定律(Boyle's Law) 压强与体积的关系 (T, n 恒定)

这是最早被发现的关于气体的实验定律之一。1662年,罗伯特·波义耳(Robert Boyle)通过实验发现,在恒定的温度下,一定质量的某种气体,其压强与其体积成反比。

用数学表达式表示就是:$p propto frac{1}{V}$ (当 $T$ 和 $n$ 恒定时)

或者写成 $pV = ext{常数}$

你可以想象一下,如果你把一个充满气体的容器(比如一个带活塞的气缸)压得更小,气体分子撞击容器壁的频率就会增加,从而导致压强增大。反过来,如果增大容器的体积,分子在单位时间内撞击壁的次数就减少,压强就减小。

查理定律(Charles's Law) 体积与温度的关系 (p, n 恒定)

1787年,雅克·查理(Jacques Charles)在前人研究的基础上,发现一定质量的某种气体,在恒定的压强下,其体积与其绝对温度成正比。这里的“绝对温度”是指用开尔文(Kelvin)温标表示的温度,它是从绝对零度开始计量的。

用数学表达式表示就是:$V propto T$ (当 $p$ 和 $n$ 恒定时)

或者写成 $frac{V}{T} = ext{常数}$

这里的逻辑也很容易理解:当气体受到的压强不变时,升高温度,气体的内能增加,分子运动得更快,它们会推动容器壁向外扩张,以维持原有的压强。所以,温度越高,体积越大。

盖吕萨克定律(GayLussac's Law) 压强与温度的关系 (V, n 恒定)

约瑟夫·路易·盖吕萨克(Joseph Louis GayLussac)在1802年也独立地得出了类似的结论,他发现一定质量的某种气体,在恒定的体积下,其压强与其绝对温度成正比。

用数学表达式表示就是:$p propto T$ (当 $V$ 和 $n$ 恒定时)

或者写成 $frac{p}{T} = ext{常数}$

这和查理定律是相辅相成的。如果体积不变,温度升高,气体分子运动速度加快,撞击容器壁的动能和频率都增加,导致压强增大。

阿伏伽德罗定律(Avogadro's Law) 体积与物质的量的关系 (p, T 恒定)

1811年,阿梅代奥·阿伏伽德罗(Amedeo Avogadro)提出了一个革命性的想法:在相同的温度和压强下,相同体积的任何气体都含有相同数量的分子。也就是说,气体的体积与其物质的量(摩尔数)成正比。

用数学表达式表示就是:$V propto n$ (当 $p$ 和 $T$ 恒定时)

或者写成 $frac{V}{n} = ext{常数}$

这个定律很重要,因为它将我们从“一定质量的气体”的概念,引向了“任何气体”以及“物质的量”这个更普适的概念。

2. 整合定律,推导出理想气体方程

现在,我们有了这几个定律,就可以把它们“拼”起来,形成一个更通用的方程。

让我们把这些比例关系写出来:

1. $p propto frac{1}{V}$ (当 $T, n$ 恒定时)
2. $V propto T$ (当 $p, n$ 恒定时)
3. $V propto n$ (当 $p, T$ 恒定时)

我们可以把这些关系合并起来。如果一个量(这里是 $V$)与多个量($T$ 和 $n$)成正比,并且与另一些量($p$)成反比,那么就可以写成:

$V propto frac{nT}{p}$

这个关系意味着,体积 $V$ 与物质的量 $n$ 和绝对温度 $T$ 的乘积成正比,而与压强 $p$ 成反比。

数学上,任何比例关系都可以通过引入一个比例常数来变成等式。所以,我们可以写成:

$V = R cdot frac{nT}{p}$

其中,$R$ 就是我们后面要介绍的“理想气体常数”。

现在,我们只需要将这个方程稍微整理一下,就可以得到我们熟悉的理想气体方程:

将等式两边同时乘以 $p$,得到:

$pV = nRT$

3. 理想气体常数 R

那么,$R$ 是什么呢?它是一个普适的常数,它的值取决于我们使用的单位。它将气体的压强、体积、物质的量和温度联系起来。

R 的意义: $R$ 的存在,是因为我们把多个实验定律中的“某个常数”统一了起来。例如,在波义耳定律中,$pV = ext{常数}_1$;在查理定律中,$V/T = ext{常数}_2$ (对于固定质量);在阿伏伽德罗定律中,$V/n = ext{常数}_3$ (对于固定压强温度)。$R$ 就是将这些联系在一起的桥梁,并且它的值与气体本身的性质无关,只与我们选择的单位有关。

R 的单位: $R$ 的单位会由 $pV/nT$ 的单位决定。
如果压强用帕斯卡(Pa),体积用立方米(m³),物质的量用摩尔(mol),温度用开尔文(K),那么 $R approx 8.314 ext{ J/(mol·K)}$。(因为 J = Pa·m³)
如果压强用大气压(atm),体积用升(L),物质的量用摩尔(mol),温度用开尔文(K),那么 $R approx 0.08206 ext{ L·atm/(mol·K)}$。

4. 为什么叫“理想气体”?

最后,要强调的是,这个方程描述的是理想气体的行为。那么,什么是理想气体呢?

理想气体的两个关键假设:
1. 分子本身没有体积: 气体分子被认为是点状的,它们占据的体积相对于整个容器的体积可以忽略不计。
2. 分子之间没有相互作用力: 气体分子在运动过程中,除了碰撞,彼此之间没有吸引力或排斥力。

与真实气体(实际气体)的区别:
在低压强、高温的条件下,真实气体的行为非常接近理想气体。因为在这种情况下,分子间的距离很大,分子本身的体积可以忽略,分子间的吸引力也变得微弱。

然而,当压强很高(分子靠得很近)或温度很低(分子运动缓慢,吸引力更容易显现)时,真实气体的行为就会偏离理想气体方程。

总结一下推导的关键步骤:

1. 理解基础: 掌握波义耳定律($p propto 1/V$)、查理定律($V propto T$)、盖吕萨克定律($p propto T$)和阿伏伽德罗定律($V propto n$)。
2. 合并比例关系: 将这几个定律整合,得到 $V propto nT/p$。
3. 引入比例常数: 将比例关系转化为等式,引入理想气体常数 $R$,得到 $V = R cdot (nT/p)$。
4. 整理成标准形式: 将方程移项,得到 $pV = nRT$。

这个方程之所以如此重要,是因为它简洁地概括了气体宏观性质之间的普遍联系,并且在化学、物理等众多领域都有着广泛的应用。希望这样详细的解释,能让你更清楚地理解它的由来。

网友意见

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这学期刚好学完热力学统计物理,看到这个问题想总结一下pV=nRT的几种推导方法,权当期末复习了

方法1:

由Boyle定律: 、Gay-Lussac定律:等压下, 、Charles定律: 等体积下, ,并定义 ,得到:

然后当一定量的理想气体从状态1 到状态2 ,设一个中间状态3 ,从状态1到状态3时: ,再从状态3到状态2: ,两式相乘得到:

所以得到:


方法2:用玻尔兹曼分布来求

组成理想气体的单个粒子的能量: , 为动量的三个分量。

配分函数:

压强:

而 ,所以

方法3:使用微正则系综

假设气体有N个单原子构成,则气体的哈密顿量(通俗一点就是能量):

在能量 到 中的微观状态数:

先求能量小于E时候的微观状态数: ,这样一来就有 。

令 ,可得

后面那个积分是n维球的体积,这是个数学问题,这里直接给答案了:

所以:

再根据玻尔兹曼公式:

忽略掉含有 的那一项,熵:

所以可以根据这个式子反解出E和N,S,V的关系:

从而得到:

于是有关系:

方法4:使用正则系综

同样先求单原子气体分子的能量:

再求配分函数:

得到压强:

所以:

其实用正则系综和玻尔兹曼分布求过程有点像

方法5:使用巨正则系综

步骤是一样的,先求巨配分函数:

这里面的 就是正则配分函数,上面已经求过了,这里直接拿来用

先求平均粒子数:

同样的有,压强:

所以: ,因为巨正则系综讨论的是开系,可能有粒子数的变化,所以用平均粒子数代替粒子数,但是当粒子数不变的时候

最后有:


总体来看用微正则系综最繁琐,其它的感觉都差不多,除了方法1之外

ps: 虽然tag有高中化学,但是这个问题已经过去三年了,题主应该上大学了吧,应该能看懂这些

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考虑气体内的一个面元 ,受到的力为 。由压强的定义

下面计算 。以面元的法向量为 轴正方向。单位时间内面元左边给右边气体的动量设为 ,右边给左边的叫 。由动量定理

下面计算这两个值。设 为Maxwell速度分布函数。则单位时间内通过面元从左边到右边的气体分子的动量总值

从而

同理

也就是

求出上面那个积分就得到 ,也就是 。这与理想气体状态方程等价。证毕

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我认为用气体实验定律来推不是很深刻,我们可以直接从理想气体模型的理想条件出发来介绍一下这个状态方程。

理想气体满足无相互作用弹性质点模型。我们假设热力学系统有 个这样的粒子组成,整体法分析,自由度为 。系统的哈密顿量为:

根据正则分布:

其中: 是相空间体积元, 、 为 个广义坐标或广义动量中的一个。令 , 是除了 外其余 个量的微分。于是有:

对 分部积分(利用 上下限可以使分部积分积分号外的部分为零)、数学变换可得:

有:

上面的公式为了美观多重积分号直接用积分号表示了。

这是能均分定理。

令 ,考虑正则方程,对i求和:

这是位力定理。

设 为器壁面积元外法向, 为压强,面积元 与分子作用力为:

器壁压力位力为:

沿器壁封闭面求积分:

考虑到之前得出的:

有:

该式即为理想气体状态方程,与题主问题描述中给出的方程

是完全等价的。

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