内容提要

1.1　理想气体状态方程

严格讲，理想气体状态方程只适用于气体的理想状态。然而完全的理想状态是不存在的，但近似的理想状态是常见的，所以理想气体状态方程仍有广泛的应用。

理想气体状态方程

pV=nRT

是本章的重要公式之一。此方程总结了气态物质的压力（p）、体积（V）、温度（T）与物质的量（n）之间的关系，如已知气态物质的温度和压力，以及质量（m）和密度（ρ），运用此方程可以计算物质的摩尔质量（M），并确定其分子式。

式中压力p的常用单位之间的换算关系为

方程式中包含了一个重要的常数R, R的取值与所用单位有关，R的常用取值及相应单位是

1.2　混合气体分压定律

混合气体体系中分压和分体积之间的关系为

这些关系式表示在一个混合气体体系中，分压、分体积、总压、总体积和各个组分的物质的量之间的关系。混合气体中某组分气体的分体积等于该气体在总压力条件下所单独占有的体积，分压力等于该气体单独占有总体积时所表现的压力。

这些公式（包括理想气体状态方程）只适用于处于理想状态下的气体，即气体分子本身所占体积可以忽略不计，气体分子之间的相互作用力可以忽略不计。

对于实际气体，实验值与计算值之间有偏差，但是，由于完全的理想状态并不存在，近似的理想状态是常见的，所以这些概念和公式在多数情况下是可以应用的，其偏差可以忽略。

1.3　实际气体和van der Waals（范德华）方程

实际气体与理想气体之间偏差的大小取决于气体本身的性质以及温度、压力条件，一般地说，温度越低，压力越大，偏差越大。实际气体不完全符合理想气体状态方程，其偏差的大小常用压缩系数Z表示：

为了消除偏差，得到一个能适用于实际气体的方程，很多人提出在理想气体状态方程中引入校正因子，对方程进行修正。荷兰科学家van der Waals在研究了许多实际气体之后，于1873年提出了修正的气态方程，称为van der Waals方程，表达式为

式中a和b叫做van der Waals常数，分别用于校正压力和修正体积。van der Waals方程是最早提出的实际气体的状态方程，是对理想气体状态方程的修正。

1.4　气态与液态之间的转化与平衡

分子的热运动有使分子间距离增加、吸引力减小的倾向，因此气体的液化需要将其降温或降温并加压，使分子的动能降低、分子间的距离缩小，从而增加分子间的吸引力。每种气体都有一个特定温度，叫做临界温度Tc。气体的液化必须控制在临界温度以下，在临界温度以上，无论加多大压力都不可能使气体液化。在临界温度使气体液化所需的最低压力叫临界压力pc。在Tc和pc条件下，1mol气体所占的体积叫临界体积Vc。

液体的气化有两种形式：蒸发和沸腾。在密闭容器中，液体的蒸发与蒸气的冷凝两个过程是同时进行的，在恒温条件下，两个过程进行到一定程度，蒸发与冷凝的速率相等，此时气相和液相达到动态平衡，称为相平衡。与液相处于动态平衡的气体称为液相的饱和蒸气，它的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。

描述液体蒸气压与温度关系的公式为Clapeyron-Clausius方程：

式中，p1和p2分别为温度T1和T2时液体的蒸气压，ΔHvap为液体的摩尔蒸发热，R为摩尔气体常数。式中ΔHvap和R的单位必须一致。

液体的蒸气压随着温度的升高而增大，当温度升高到使蒸气压等于外界压力时，液体出现沸腾现象，此时的温度称为液体的沸点Tb。

1.5　液态和固态之间的转化与平衡

液体冷却到一定程度时会凝结成固体，固体受热到一定程度时开始熔化。液体的凝固与固体的熔化互为逆过程，是固体与液体共存的过程。在这个过程中，体系处于固液平衡态，温度保持不变，基于固体变为液体叫熔化，此温度称为熔点，由液体变为固体叫凝固，所以此温度又称为凝固点。因此，从液相与固相间的转化与平衡关系可以看出，熔点和凝固点是同义词，都是指液相与固相共存时的温度。

由于固体里分子的热运动，能量较高的分子从固体表面逸出，所以固体表面也有蒸气压。固体的蒸气压随温度升高而增大。在凝固点，液相的凝固和固相的熔化处于平衡状态，液相的蒸气压等于固相的蒸气压。