理想气体的特殊性质是什么?

理想气体的特殊性质这篇文章主要讲什么是理想气体,以及它相对于实际气体有怎样特殊的性质。所谓“理想”气体肯定是和我们生活中的实际气体不一样的。上来就研究实际气体太复杂,毕竟涉及到很多因素,所以科学家们就把实际气体做了一定程度的简化,把一些因素移除掉,这样就方便研究了。那理想气体与实际气体有哪些不同之处?理想气体又有什么特殊的性质?我概括为以下五点,你要听懂、记牢:

(1) Besides collisions, there are no intermolecular forces between the molecules.  除了两个气体分子碰撞(接触)的瞬间会有力的作用,其他情况下,我们忽略气体分子之间的引力和斥力。由于已经忽略掉了分子之间的相互作用力,理想气体是不可能像实际气体那样被液化 (liquefied) 或固化 (solidified) 的。成为液体和固体的前提都是要有分子之间的相互作用力,从而维持一个稳定的结构。举个例子,下图为容器中冰的内部结构,冰中 H2O 分子之间太近了就会有排斥力,太远了就会有吸引力,于是分子之间形成了稳定的距离和结构。但如果没有这种分子之间的相互作用力,也就谈不上什么结构了,所以理想气体是不能被液化或固化的。

理想气体的特殊性质

(2) There's no potential energy for an ideal gas, so the internal energy is entirely consisted of kinetic energy.  按理说内能是所有分子的动能和势能之和,但由于理想气体之间没有相互作用,那么就没有分子之间的势能。所以说理想气体的内能就等于它所有分子的动能之和,无需考虑势能了。

(3) Molecules move randomly with different speeds in all directions, and the collisions between molecules and with the wall are elastic.  即无论是分子与分子的碰撞,还是分子与容器壁的碰撞,都是弹性碰撞!说明理想气体不会因为碰撞而损失能量: a. 当两个分子碰撞时,由于同一种气体,两个分子的质量相同,它们将会交换速度;b. 当一个分子与墙壁碰撞后,它的速度大小不能变,只是方向发生改变。在没有碰撞发生时,理想气体中的每一个分子都做匀速直线运动。每个分子的速度方向和大小都不一定相同,所以大量气体分子在空间中各个方向上进行 random motion!

(4) The time between collisions is much much bigger than the time during a collision.  也就是说我们认为理想气体分子碰撞的时间是极短的,所以分子大部分时间是在自己做匀速直线运动,挺孤独哈。

(5) The volume of each molecule is negligible compared with the volume of the gas, but each molecule has the same mass in an ideal gas.  每一个气体分子的体积相对于整个理想气体的体积都可以忽略不计,或者你也可以理解为,气体分子之间的距离非常非常的大,远大于每个气体分子的大小。但你不要认为气体分子的质量也可以忽略不计。理想气体分子是有质量的!而且对于同一种理想气体而言,每个气体分子的质量都相同。

好,以上就是理想气体比较特殊的五点主要性质,当然还有一些细枝末节的性质我就不提了。通过以上性质的假设,科学家们可以排除一些次要因素,把真实气体简化为理想气体,从而进行气体分子运动的理论分析,所以以上五点也叫作"The assumptions of the kinetic model of an ideal gass"。(如果真正考题中出现这些英文单词,你可别说自己不知道是什么意思哦)

那既然理想气体与实际气体不同,我们研究它又有什么用呢?

理想气体是一个简化的模型,便于我们通过物理理论、数学工具等进行模拟、得到一些理论方程,从而预测理想气体的宏观性质。而且实际气体在一些情况下与理想气体的性质是非常接近的,这就更方便我们通过理想气体方程来预测现实生活中的气体性质啦!

哪些情况下实际气体与理想气体的性质接近呢?

答案是温度高 high temperature 和压强低 low pressure 的环境下,实际气体可以近似为理想气体。当实际气体温度很高时,内部分子运动剧烈,分子之间作用力又显著减小,那么分子的动能将会远大于分子之间的势能,这与理想气体“分子势能为零”的性质刚好相符。另一方面,当实际气体压强很低时,我们又可以认为气体分子的体积大小相比整个气体的体积来说非常的小、可以忽略不计,这刚好又和理想气体的上述第 5 条性质相吻合。

All right,下面我们做两道选择题练练手吧!

Eg.1  Which of the following is an assumption of the kinetic model of an ideal gas?

(A) All the molecules of the gas have the same speed

(B) The collisions of particles are elastic
(C) Each molecule of the gas has the same mass
(D) Each molecule of the gas have the same kinetic energy

答案:当然是 BC 啦,嘿嘿,双选题你没想到吧我们先看 A 选项,说每个分子的速率(或速度大小)都是相同的,这显然不对!即使在理想气体中,每个气体分子的运动也都是随机的,无论是速度大小还是速度方向都不一定一样。再看 D 选项,如果气体分子的速度大小不一样,那么根据动能公式:

理想气体的特殊性质
气体分子的动能自然也不一样。B选项说的是分子的碰撞是弹性碰撞,没错儿,这是理想气体的假定。C 选项说每个气体分子的质量都相同,我们之前说过,理想气体是有质量的。既然又是同一种气体,那么每个气体分子的质量当然要相同,所以选项 C 也是对的。

再做一道题吧:

Eg.2 Under what conditions can a real gas approximates the ideal gas?
(A) High temperature and high pressure

(B) High temperature and low pressure
(C) Low temperature and high pressure
(D) Low temperature and low pressure

答案:B。没什么可说的吧,在高温和低压环境下,真实气体分子之间的作用力小,所以分子之间的势能相比动能就可忽略不计;而且一个个分子的体积相对于整个容器的体积也小,所以非常接近理想气体的 assumptions,这时真实气体能够近似为理想气体来处理。

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