理想氣體的特殊性質是什麽？

這篇文章主要講什麽(me) 是理想氣體(ti) ，以及它相對於(yu) 實際氣體(ti) 有怎樣特殊的性質。所謂“理想”氣體(ti) 肯定是和我們(men) 生活中的實際氣體(ti) 不一樣的。上來就研究實際氣體(ti) 太複雜，畢竟涉及到很多因素，所以科學家們(men) 就把實際氣體(ti) 做了一定程度的簡化，把一些因素移除掉，這樣就方便研究了。那理想氣體(ti) 與(yu) 實際氣體(ti) 有哪些不同之處？理想氣體(ti) 又有什麽(me) 特殊的性質？我概括為(wei) 以下五點，你要聽懂、記牢：

(1) Besides collisions, there are no intermolecular forces between the molecules.  除了兩(liang) 個(ge) 氣體(ti) 分子碰撞(接觸)的瞬間會(hui) 有力的作用，其他情況下，我們(men) 忽略氣體(ti) 分子之間的引力和斥力。由於(yu) 已經忽略掉了分子之間的相互作用力，理想氣體(ti) 是不可能像實際氣體(ti) 那樣被液化 (liquefied) 或固化 (solidified) 的。成為(wei) 液體(ti) 和固體(ti) 的前提都是要有分子之間的相互作用力，從(cong) 而維持一個(ge) 穩定的結構。舉(ju) 個(ge) 例子，下圖為(wei) 容器中冰的內(nei) 部結構，冰中 H2O 分子之間太近了就會(hui) 有排斥力，太遠了就會(hui) 有吸引力，於(yu) 是分子之間形成了穩定的距離和結構。但如果沒有這種分子之間的相互作用力，也就談不上什麽(me) 結構了，所以理想氣體(ti) 是不能被液化或固化的。

(2) There's no potential energy for an ideal gas, so the internal energy is entirely consisted of kinetic energy.  按理說內(nei) 能是所有分子的動能和勢能之和，但由於(yu) 理想氣體(ti) 之間沒有相互作用，那麽(me) 就沒有分子之間的勢能。所以說理想氣體(ti) 的內(nei) 能就等於(yu) 它所有分子的動能之和，無需考慮勢能了。

(3) Molecules move randomly with different speeds in all directions, and the collisions between molecules and with the wall are elastic.  即無論是分子與(yu) 分子的碰撞，還是分子與(yu) 容器壁的碰撞，都是彈性碰撞！說明理想氣體(ti) 不會(hui) 因為(wei) 碰撞而損失能量: a. 當兩(liang) 個(ge) 分子碰撞時，由於(yu) 同一種氣體(ti) ，兩(liang) 個(ge) 分子的質量相同，它們(men) 將會(hui) 交換速度；b. 當一個(ge) 分子與(yu) 牆壁碰撞後，它的速度大小不能變，隻是方向發生改變。在沒有碰撞發生時，理想氣體(ti) 中的每一個(ge) 分子都做勻速直線運動。每個(ge) 分子的速度方向和大小都不一定相同，所以大量氣體(ti) 分子在空間中各個(ge) 方向上進行 random motion！

(4) The time between collisions is much much bigger than the time during a collision.  也就是說我們(men) 認為(wei) 理想氣體(ti) 分子碰撞的時間是極短的，所以分子大部分時間是在自己做勻速直線運動，挺孤獨哈。

(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.  每一個(ge) 氣體(ti) 分子的體(ti) 積相對於(yu) 整個(ge) 理想氣體(ti) 的體(ti) 積都可以忽略不計，或者你也可以理解為(wei) ，氣體(ti) 分子之間的距離非常非常的大，遠大於(yu) 每個(ge) 氣體(ti) 分子的大小。但你不要認為(wei) 氣體(ti) 分子的質量也可以忽略不計。理想氣體(ti) 分子是有質量的！而且對於(yu) 同一種理想氣體(ti) 而言，每個(ge) 氣體(ti) 分子的質量都相同。

好，以上就是理想氣體(ti) 比較特殊的五點主要性質，當然還有一些細枝末節的性質我就不提了。通過以上性質的假設，科學家們(men) 可以排除一些次要因素，把真實氣體(ti) 簡化為(wei) 理想氣體(ti) ，從(cong) 而進行氣體(ti) 分子運動的理論分析，所以以上五點也叫作"The assumptions of the kinetic model of an ideal gass"。(如果真正考題中出現這些英文單詞，你可別說自己不知道是什麽(me) 意思哦)

那既然理想氣體(ti) 與(yu) 實際氣體(ti) 不同，我們(men) 研究它又有什麽(me) 用呢？

理想氣體(ti) 是一個(ge) 簡化的模型，便於(yu) 我們(men) 通過物理理論、數學工具等進行模擬、得到一些理論方程，從(cong) 而預測理想氣體(ti) 的宏觀性質。而且實際氣體(ti) 在一些情況下與(yu) 理想氣體(ti) 的性質是非常接近的，這就更方便我們(men) 通過理想氣體(ti) 方程來預測現實生活中的氣體(ti) 性質啦！

哪些情況下實際氣體(ti) 與(yu) 理想氣體(ti) 的性質接近呢？

答案是溫度高 high temperature 和壓強低 low pressure 的環境下，實際氣體(ti) 可以近似為(wei) 理想氣體(ti) 。當實際氣體(ti) 溫度很高時，內(nei) 部分子運動劇烈，分子之間作用力又顯著減小，那麽(me) 分子的動能將會(hui) 遠大於(yu) 分子之間的勢能，這與(yu) 理想氣體(ti) “分子勢能為(wei) 零”的性質剛好相符。另一方麵，當實際氣體(ti) 壓強很低時，我們(men) 又可以認為(wei) 氣體(ti) 分子的體(ti) 積大小相比整個(ge) 氣體(ti) 的體(ti) 積來說非常的小、可以忽略不計，這剛好又和理想氣體(ti) 的上述第 5 條性質相吻合。

All right，下麵我們(men) 做兩(liang) 道選擇題練練手吧！

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：當然是 BC 啦，嘿嘿，雙選題你沒想到吧我們(men) 先看 A 選項，說每個(ge) 分子的速率（或速度大小）都是相同的，這顯然不對！即使在理想氣體(ti) 中，每個(ge) 氣體(ti) 分子的運動也都是隨機的，無論是速度大小還是速度方向都不一定一樣。再看 D 選項，如果氣體(ti) 分子的速度大小不一樣，那麽(me) 根據動能公式：

氣體(ti) 分子的動能自然也不一樣。B選項說的是分子的碰撞是彈性碰撞，沒錯兒(er) ，這是理想氣體(ti) 的假定。C 選項說每個(ge) 氣體(ti) 分子的質量都相同，我們(men) 之前說過，理想氣體(ti) 是有質量的。既然又是同一種氣體(ti) ，那麽(me) 每個(ge) 氣體(ti) 分子的質量當然要相同，所以選項 C 也是對的。

再做一道題吧：

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。沒什麽(me) 可說的吧，在高溫和低壓環境下，真實氣體(ti) 分子之間的作用力小，所以分子之間的勢能相比動能就可忽略不計；而且一個(ge) 個(ge) 分子的體(ti) 積相對於(yu) 整個(ge) 容器的體(ti) 積也小，所以非常接近理想氣體(ti) 的 assumptions，這時真實氣體(ti) 能夠近似為(wei) 理想氣體(ti) 來處理。