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理想气体定律

高中物理处于平衡状态的理想气体，PV = nRT；活塞和粒子为示意图

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关于此实验

探索气缸内理想气体的压强与体积之间的关系。在恒温模式下，移动活塞以描绘等温线。切换到恒容模式，沿压强-体积图上的垂直线加热或冷却气体。圆点以示意方式表示气体的量；这是平衡状态计算，而非分子碰撞模拟。

学习目标

  • 确保压强和体积单位一致后应用理想气体方程
  • 在温度和气体量不变时验证玻意耳定律
  • 在压强-体积图上比较等温变化与恒容变化

使用方法

  1. 1在 300 K、1 mol 时，读取 20 L 对应的压强。
  2. 2在恒温模式下将体积减半，并比较压强和 PV 乘积。
  3. 3切换到恒容模式。将温度加倍，并比较 P/T。
  4. 4保持体积和温度不变，改变气体的量。预测并检验压强比。

模型

理想气体方程，其中 R = 8.314462618 J/(mol K)
等温变化中的玻意耳定律
在体积不变时，压强与绝对温度成正比。

假设

  • 气体是理想气体，分子体积可忽略不计，且分子间不存在相互作用力。
  • 所有显示的状态都是均匀的热平衡和力学平衡状态。忽略瞬态加热和活塞加速。
  • 压强为绝对压强，温度单位为开尔文，且 1 kPa L 等于 1 J。
  • 改变气体的量会选择一个新的平衡状态进行比较；这并不是在模拟注入过程。

在课堂上试试这个实验

  1. Q1在 20 L 的容器中，300 K 的 1 mol 气体会产生多大的压强？
  2. Q2比较压强比时，为什么温度必须用开尔文表示？
  3. Q3压强-体积图上，哪种过程的路径是垂直的？为什么？

常见问题

为什么体积减小时压强会升高？

在温度和气体量固定时，理想气体方程为 P = nRT/V。因此，体积减半，压强就会加倍。

为什么温度滑块和体积滑块只能移动一个？

所选过程会固定一个变量。切换过程会保留当前平衡状态，并改变可调节的变量。