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理想氣體定律

高中物理處於平衡狀態的理想氣體，PV = nRT；活塞和粒子為示意圖

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關於此實驗

探索氣缸內理想氣體的壓力與體積之間的關係。在定溫模式下，移動活塞以描繪等溫線。切換至定容模式，沿著壓力－體積圖上的垂直線加熱或冷卻氣體。圓點以示意方式表示氣體的量；這是平衡狀態計算，而非分子碰撞模擬。

學習目標

  • 確保壓力和體積單位一致後套用理想氣體方程式
  • 在溫度和氣體量不變時驗證波以耳定律
  • 在壓力－體積圖上比較等溫變化與定容變化

使用方法

  1. 1在 300 K、1 mol 時，讀取 20 L 對應的壓力。
  2. 2在定溫模式下將體積減半，並比較壓力和 PV 乘積。
  3. 3切換至定容模式。將溫度加倍，並比較 P/T。
  4. 4保持體積和溫度不變，改變氣體的量。預測並檢驗壓力比。

模型

理想氣體方程式，其中 R = 8.314462618 J/(mol K)
等溫變化中的波以耳定律
在體積不變時，壓力與絕對溫度成正比。

假設

  • 氣體是理想氣體，分子體積可忽略不計，且分子間不存在相互作用力。
  • 所有顯示的狀態都是均勻的熱平衡與力學平衡狀態。忽略暫態加熱和活塞加速。
  • 壓力為絕對壓力，溫度單位為克耳文，且 1 kPa L 等於 1 J。
  • 改變氣體的量會選擇一個新的平衡狀態進行比較；這並不是在模擬注入過程。

在課堂上試試這個實驗

  1. Q1在 20 L 的容器中，300 K 的 1 mol 氣體會產生多大的壓力？
  2. Q2比較壓力比時，為什麼溫度必須用克耳文表示？
  3. Q3壓力-體積圖上，哪種過程的路徑是垂直的？為什麼？

常見問題

為什麼體積減小時壓力會升高？

在溫度和氣體量固定時，理想氣體方程式為 P = nRT/V。因此，體積減半，壓力就會加倍。

為什麼溫度滑桿和體積滑桿只能移動一個？

所選過程會固定一個變數。切換過程會保留目前的平衡狀態，並改變可調整的變數。