气体容积、压强和温度的相互关系
气体的物理状态用压强、容积和温度3个物理量来描述。对一定质量的气体而言,若压强、容积和温度3个物理量恒定,则气体处于“稳定状态”;若3个物理量单独或同时变化则引起气体状态的变化;但无论如何变化,三者之间的关系皆遵循一定的规律,称为气体定律。用公式表示时,P 1、V 1、T 1代表初始状态时气体的压强、容积、绝对温度,P 2、V 2、T 2代表终末状态时的压强、容积、绝对温度,则有下列气体定律。
(一)玻意耳-马里奥特(Boyle-Mariotte)定律简称“玻意耳(Boyle)定律”。当温度不变时,一定质量气体的容积同它的压强成反比,用公式表示为:
P 1V 1=P 2V 2
该定律说明当温度不变时,一定质量的气体容积(V)与压强(P)的乘积是一恒量(K),用公式表示为:
PV=K
也说明一定质量气体的压强越大容积越小;反之,压强越小容积越大;或者说气体密度与压强成正比。
(二)查理(Charles)定律 当容积不变时,一定质量气体的压强与绝对温度成正比,用公式表示为:
P 1T 2=P 2T 1
(三)盖-吕萨克(Gay-Lussac)定律 当气体压强不变时,一定质量气体的容积与绝对温度成正比,用公式表示为:
V 1T 2=V 2T 1
(四)理想气体方程 该方程是一定质量气体的压强、容积和温度同时变化时的气体定律,是上述3个气体定律的综合。玻意耳定律、查理定律、盖-吕萨克定律分别反映了一定质量的气体在压强、容积和温度3个物理量中的一个量恒定时,其他2个变量之间的变化关系。但自然环境中3个物理量往往同时变化,即一定质量气体的压强、容积的乘积与绝对温度成正比。用公式表示为:(https://www.daowen.com)
P 1V 1T 2=P 2V 2T 1
(五)道尔顿(Dalton)定律 又称“分压定律”。各种相互之间不发生化学反应的气体混合后,混合气体的压强是各种气体压强的总和,称为“总压”;而各种气体各自产生的压强称为“分压”。当温度不变时,对理想气体而言,混合气体的总压(P)等于各分压之和。用公式表示为:
P=P 1+P 2+P 3+…+P n
式中P 1、P 2、P 3、Pn为各组成气体的分压。道尔顿定律的意义在于,明确各气体分压便可以得出混合气体的总压;反之,明确了混合气体的总压和各种气体所占的浓度百分比,也可推算出某一组成气体的分压。用公式表示为:
P 1,2,…,n=P×C%
式中P 1,2,…,n为组成气体的分压;C%为该气体在混合气体中的浓度百分比。
上述公式计算的气体是干燥气体,若计算肺泡气等潮湿气体的各种分压值,则需根据水蒸气分压(W)进行修正,修正公式为:
P 1,2,…,n=(P-W)×C%
张力是分压的同义词,主要用于描述溶解在液体中的气体分压。溶解于液体中的气体分子有逃逸的趋势;但若将液体暴露于与其逃逸趋势刚好平衡的混合气体中,则可避免气体净损失,使液相和气相的气体分子相互平衡。液体中的气体张力等于与之平衡的混合气体中该气体的分压。这是测量血液中CO2分压和O2分压的基础。
上述定律适合理想气体,但理想气体并不存在。我们平时接触到的气体,如O2、N2、空气等,在常温、常压下,其性质近似于理想气体,因此可以按上述气体定律考虑。