熱力學中,壓縮因子(Z),是一種修正係數,用於描述真實氣體理想氣體行為的偏差。它簡單地定義為在相同溫度壓力下,氣體摩爾體積理想氣體摩爾體積之比。 這是修正理想氣體定律以解釋真實氣體行為的有用熱力學性質[1]。一般來說,氣體越接近相變、溫度越低或壓力越大,與理想行為的偏差變得越明顯。壓縮因子值通常通過狀態方程 (EOS) 計算獲得,例如以化合物特定的經驗常數作為輸入的維里方程。 對於由兩種或多種純氣體(例如空氣或天然氣)混合而成的氣體,在計算可壓縮性之前必須知道氣體成分。

定義 編輯

 
氣體行為以及該行為與壓縮係數的關係的圖形表示。

統計力學中,壓縮因子定義的描述是:

 

其中,

  •   為壓力;
  •   為氣體的摩爾體積
  •   為溫度;
  •  氣體常數

可以看出,Z是同樣條件下真實氣體摩爾體積與理想氣體摩爾體積的比值,它的大小反映出真實氣體偏離理想氣體的程度。理想氣體的Z值在任何條件下恆為1。Z小於1說明真實氣體的摩爾體積比同樣條件下理想氣體的為小,真實氣體比理想氣體更易壓縮。Z大於1則相反。由於它反映出真實氣體的壓縮難易程度,所以稱為壓縮因子。壓縮因子的量綱為一。

在非常高的壓力下,所有氣體的Z值都大於1,說明此時分子間排斥力起主要作用。在很低的壓力下,所有氣體的Z值都接近1,此時真實氣體的行為類似於理想氣體。兩者壓力之間,多數氣體Z<1,意味著分子間吸引力的存在降低了氣體的摩爾體積。

用壓縮因子表示的維里方程如下:

 

對p取導數可以看到,真實氣體的   圖在   時的斜率並不為1,而是趨於一個維里係數值。但對於理想氣體  (因為所有壓力下Z均=1)。維里係數是溫度的函數;在壓力低或摩爾體積大的情況下,使    時為0的溫度,稱為波義耳溫度

此外可以類似地使用   等溫線代替   等溫線,反映出真實氣體對理想情況的偏差隨壓力的變化。所有氣體在   時均趨近理想氣體,所以任何   等溫線在   時均趨於  

將壓縮因子的概念應用於臨界點,可以類似地得到「臨界壓縮因子」:

 

利用范德瓦耳斯方程預測的   值為0.375。但實際上將各物質的臨界點數據代入上式,得到的   值多小於這個值,表明範德瓦耳斯方程只是一個近似的模型,與真實情況還有一定的距離。不過這也說明   是個大致與氣體性質無關的常數,為對應狀態原理作下鋪墊。

參考資料 編輯

  1. ^ Properties of Natural Gases 網際網路檔案館存檔,存檔日期2011-02-06.. Includes a chart of compressibility factors versus reduced pressure and reduced temperature (on last page of the PDF document)
  • Peter Atkins, Julio de Paula. Atkins' Physical Chemistry 8th ed. Oxford University Press. 2006.  ISBN 9780198700722.