揭秘理想气体方程：探秘气体精灵的秘密

2024-06-12 百科知识版权反馈

【摘要】：理想气体方程揭开气体精灵的神秘面纱如今我们都知道，空气中的氧与磷发生化学反应，会出现自燃的现象。但是，在揭开气体以及气体燃烧的神秘面纱之前，野地中这种飘荡起伏的“鬼火”，曾给人们蒙上了千余年的恐怖阴影。1830年，法国科学家克拉伯龙自俄罗斯进修归国，在前人基础上，他归纳出了著名的理想气体状态方程，即pV=nRT。即只需两个独立参量，便可描述理想气体的状态。至此，气体精灵的真实面目，终于彻底显露在了人们面前。

理想气体方程　揭开气体精灵的神秘面纱

如今我们都知道，空气中的氧与磷发生化学反应，会出现自燃的现象。但是，在揭开气体以及气体燃烧的神秘面纱之前，野地中这种飘荡起伏的“鬼火”，曾给人们蒙上了千余年的恐怖阴影。在恐惧的同时，人们又对此充满了好奇，这究竟是怎么一回事呢？

英国实验科学家卡文迪许

为什么石头不能燃烧而木材、油、煤却都可以燃烧？这是一个曾令科学家们百思不得其解的问题，时间就这样在猜想中逐渐流逝。直到18世纪初，法国化学家贝歇尔的学生，普鲁士王御用医师，德国哈勒大学医学教授斯塔尔，依据“燃烧是释放燃烧性油土的过程”的理论，首次对燃烧现象作出了理论性解释，提出系统化的“燃素说”（燃素即是构成火的元素）。“燃素说”认为，燃烧的本质是燃素的燃烧，它不会自主分离，只有在空气的帮助下发生燃烧，才能从物体中脱离出来，是被禁锢的火。

1766年，英国科学家卡文迪许在他发表的论文中，提到了他在实验中发现的一个怪异现象——若将锌片等金属物质放入稀硫酸中，金属片会立即产生像空气一样的无色无味气体，这种气体一旦遇到火源，就会迅速燃烧甚至发生爆炸。这个发现使半个世纪来寻找着“被禁锢的火”并为此而困惑的各国科学家不禁眼前一亮——“燃素找到了”！由于卡文迪许的实验结果完全符合燃素说——“金属-燃素=灰烬”这一理论，因此，在这些苦苦追寻的科学家们看来，那些无色无味的气体就是燃素。就此，“燃素说”似乎第一次在实验上得到了证实。

法国化学家拉瓦锡塑像

自然，这种说法若在今天看来，无疑是漏洞百出的。但在当时，由于该学说从理论上解释了包括“燃烧”在内的多数化学现象，因此为多数科学家所认可，在此后的几百年中一直畅行无阻。以至于舍勒和普利斯特列虽然在实验中已经感受到了“燃素说”的矛盾（普利斯特列甚至已经发现并提取了氧气），却依然坚信这种理论是正确的。

位于英国剑桥大学内的卡文迪许实验室

1775年，普利斯特列发表论文，阐述“脱燃素空气”理论，这使得法国化学家拉瓦锡受到了很大启发，他认为这是一种新的气体元素。于是，拉瓦锡严格重复了以上两人的实验，并最终推理出较合逻辑的结论：空气本身不是元素，而是由氧气及氮气构成主要物质的混合物。(www.chuimin.cn)

燃烧

1778年，拉瓦锡再次提出：所谓的燃素其实并不存在。在任何情况下，燃烧过程都是可燃物质与氧的化合，由于可燃物质在燃烧过程中吸收了氧，而使其重量增加。

至此，“燃素说”的统治时代宣告结束，人们终于洞悉了燃烧的本质，与此同时，科学家们也越来越重视气体特性的研究工作。

1805～1808年之间，盖—吕萨克通过反复的“气体反应体积”研究，得出了盖—吕萨克定律：当压强不变时，一定质量的气体，其体积与热力学温度成正比。这一重要结论促进了分子学说的产生，逐渐建立了化学的理论体系。

1830年，法国科学家克拉伯龙自俄罗斯进修归国，在前人基础上，他归纳出了著名的理想气体状态方程（也称理想气体定律或克拉伯龙方程），即pV=nRT。在此方程中p为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体的物质的量，单位mol；R为比例系数，不同状况下数值有所不同，单位是J/（mol·K）；T为体系温度，单位K。p、V、T三个状态参量并不是完全独立的，任何两个参量确定后，另一个参量也就确定了。即只需两个独立参量，便可描述理想气体的状态。

至此，气体精灵的真实面目，终于彻底显露在了人们面前。

“碰到了真理的鼻尖”

其实，瑞典化学家舍勒在对燃烧过程所做的实验中，已经“碰到了真理的鼻尖”——感受到了“燃素说”的矛盾之处，但出于对权威学说的迷信，他未敢坚持自己的研究结果。在他之后，英国化学家普利斯特列同样因为对“燃素说”的信奉，在发现并制取了氧气的情况下，他仍然错误地断言：“木炭之所以烧得更旺，是因为这种气体完全没有燃素，因而才会更贪婪地吸取燃素。”他还将这个发现命名为“脱燃素空气”，以致于后人评述说：“普利斯特列是现代化学之父，但他始终不承认自己的亲生女儿。”

揭秘理想气体方程：探秘气体精灵的秘密

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