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物理化学第一章(气体)
§1.4 真实气体状态方程 描述真实气体的pVT关系的方法: 当压力较高时,理想气体的EOS不再适用。在修正理想气体EOS的基础上,提出了真实气体的状态方程: 1)引入压缩因子Z,修正理想气体状态方程; 2)引入p,V的修正项,修正理想气体状态方程; 3)使用经验方程,如维里方程。 它们的共同特点:低压下可以还原为理想气体状态方程。 pVm 1. 真实气体的pVm-p图 气体在不同温度下的pVm-p图 温度T一定时: 理想气体的pVm与压力无关; 真实气体的pVm与压力有关。 在同一温度,不同气体或同一气体,不同温度情况下, pVm?p有三种类型: (1) TTB, pVm随p增加而上升; (2) T=TB, pVm随p变化为:开始不变,后上升; (3) TTB, pVm随p变化为:开始下降,后上升。 TTB T=TB TTB 波义尔温度 TB 对于任何气体都有一个特殊温度??波义尔温度TB 在该温度下,p→0时, pVm—p等温线的斜率为零,有: 气体在波义尔温度以上时, 无法用加压的方法使之液化。 H2的波义尔温度是195K(﹣78℃) 在波义尔温度时,压力大约在几个大气压的范围内,该真实气体的pV值等于或十分接近理想气体的数值(或符合波义尔定律)。 波义尔温度是气体的特性参数,一般为TC的2~2.5倍。当气体的温度T=TB时,在几百kPa的压力范围内,气体pVT性质可以用理想气体状态方程描述。 真实气体的EOS种类很多,至今还在不断发展,不断完善。其中最著名的EOS为van der Waals (范德华)方程和维里方程。 2. 范德华方程 (1) 范德华方程 理想气体状态方程: pVm=RT 实质是: (无相互作用力时分子间气体的压力)?(1mol气体分子的自由活动空间)=RT 真实气体状态方程分为两类:i. 纯经验方程;ii. 有一定物理模型的半经验方程,如范德华方程。 真实气体的压力: 真实气体:1) 分子间存在相互作用力 分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞,所以: 实际压力: 压力修正项(内压力) 内部分子 靠近器壁的分子 器壁 1mol真实气体分子的自由活动空间=(Vm- b) 2) 真实气体的分子有大小 将压力修正项和体积修正项代入理想气体状态方程: 范德华方程 式中:a,b——van der Waals常数,见附表7, p 309 若用 Vm=V/n代入上式,可得: b的物理意义:1mol分子由于自身所占体积使自由活动空间减少的值,由硬球模型可导出,b是1mol硬球气体分子本身体积的4倍,且b与气体温度无关。 成果: 修正了理想气体模型,揭示了真实气体偏离理想气体的原因。为状态方程的发展奠定了基础。 常将在T、p条件下,服从范德华方程德气体称为范德华气体。 从现代理论看,范德华对于内压力与b的导出都不尽完善,实验测定表明,a,b不但与全体性质有关,也与温度有关。 当p→0时,V→?,范德华方程?理想气体状态方程。 范德华仅仅引入了两个参数,就对计算精度做出了很大改进。 (2)范德华常数与临界参数的关系 在临界点时,有: 将范德华方程写成: 和 =2.667 由真实气体的临界参数计算的值与2.667存在偏差。 立方型EOS (cubic EOS) 气体p-Vm等温线 (3)van der Waals 方程式的等温线 解范德华方程时,有三种情况: TTc: 一实二虚的Vm解 T=Tc: 三个相等实根Vm解 TTc: 三个不相等得实根Vm,最大的为气体,最小的为液体,中间无义意。 例:若甲烷在203 K,2533.1 kPa条件下服从van der Waals方程,试求其摩尔体积 解:van der waals方程可写为: 已知甲烷的van der Waals 常数: 理想气体方程 范德华方程 实验值 0.5553 0.4458 0.4402 3039 0.8329 0.7306 0.7332 2026 1.666 1.569 1.561 1013 16.66 16.56 16.56 101 Vm/(dm3?mol-1) p/kPa 203 K不同压力下CH4的摩尔体积 3. Virial Equation——维里方程 有两种形式:显压式和显体积式。 式中A, B, C, …与A’, B’, C’, …分别称为第一,第二、第三…维里系数,与气体的本性和温度有关,其值由实验测定的pVT数据拟合得到。 注意:两套维里系数,对应不同的形式的维里方程。 根据系数的单位: 显V,B (dm3?mol-1), C (dm6?mol-2), 显p,B’ (Pa-1), C (Pa-2), 或 ? 两套维里系数可以相互换算 在计算精度要求不高时,只用到第二项B或B’即可。一般最多采取三项。这是由于
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