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| 氣體 | |
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氣體是四種基本物質狀態之一（其他三種分別為固體、液體、等離子體）。氣體可以由單個原子（如稀有氣體）、一種元素組成的單質分子（如氧氣）、多種元素組成化合物分子（如二氧化碳）等組成。氣體混合物可以包括多種氣體物質，比如空氣。
中文名 ：氣體
外文名 ：gases
領 域： 工程
元素氣體
在標準狀況下為氣體分子的化學元素有氫（H2）、氮（N2）、氧（O2）和兩種鹵素，分別是氟（F2）和氯（Cl2）。另外還有單原子的稀有氣體：氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。
物理性質
因為大多數氣體很難直接觀察，他們常被通過其四個物理屬性或宏觀性質來描述壓強、體積、粒子數目（化學家用摩爾來表示）和溫度。這四個屬性被許多科學家（如羅伯特·波義耳、雅克·查理、約翰·道爾頓、約瑟夫·路易·蓋-呂薩克、阿莫迪歐·阿伏伽德羅等）通過不同的氣體和不同的裝置來反覆觀察過。他們的仔細研究最終形成了描述這些屬性的數學關係的理想氣體定律。
氣體與液體和固體的顯著區別就是氣體粒子之間間隔很大。這種間隔使得人眼很難察覺到無色氣體。氣體與液體一樣是流體：它可以流動，可變形。與液體不同的是氣體可以被壓縮。假如沒有限制（容器或力場）的話，氣體可以擴散，其體積不受限制，沒有固定。氣態物質的原子或分子相互之間可以自由運動。
氣體的特性介於液體和等離子體之間，氣體的溫度不會超過等離子體，氣體的溫度下限為簡併態夸克氣體，現在也越來越受到重視。高密度的原子氣體冷卻到非常低的低溫，可以依其統計特性分為玻色氣體和費米氣體。
理想氣體方程
理想氣體為假想的氣體。其特性為:氣體分子間無作用力;氣體分子本身不占有體積;氣體分子與容器器壁間發生完全彈性碰撞。真實氣體在愈低壓、愈高溫的狀態，性質愈接近理想氣體。最接近理想氣體的氣體為氦氣。[1]
理想氣體方程表達式： pV=nRT
遵從理想氣體狀態方程是理想氣體的基本特徵。理想氣體狀態方程里有四個變量--氣體的壓力p、氣體的體積V、氣體的物質的量n以及溫度T和一個常量(R為普適氣體恆量，也叫通用氣體常數)，只要其中三個變量確定，理想氣體就處於一個狀態，因而該方程叫做理想氣體狀態方程。溫度T和物質的量n的單位是固定不變的，分別為K和mol，而氣體的壓力p和體積V的單位卻有多種取法，這時，狀態方程中的常量R的取值(包括單位)也就跟着改變，在進行運算時，千萬要注意正確取用R值:
宏觀屬性
當觀察氣體時，一般會指明參考物或長度尺度。較大的長度尺度對應着氣體的宏觀屬性或是總體看法。其範圍（可指體積）至少要能容納大量的氣體粒子。對如此採樣尺寸的氣體的統計分析會得到樣品內所有氣體粒子的平均屬性（例如速度，溫度，壓強等）。相反，一個較小的參考長度尺度對應着氣體的微觀屬性或是粒子層面的看法。
1、壓強
在公式中常用"p"或"P"來表示氣體壓力，其單位則常為國際單位制中的帕斯卡（Pa）。
在描述一個有容器的氣體時，壓力（或是絕對壓力）是在氣體作用在容器表面上，單位面積所施的力，在此空間內，可以視為氣體粒子會直線運動，直到和其他分子或是容器壁碰撞為止。若和容器壁碰撞，單位時間內氣體粒子動量的變化就是氣體作用在容器上的力，在碰撞過程中，只有垂直容器壁的氣體粒子速度分量會變化，若氣體粒子是沿着容器壁運動，其動量不會變化。因此容器壁受到的力就是和容器壁碰撞的氣體粒子其動量變化的平均值。
壓力是所有碰撞容器壁的氣體粒子，其產生的力除以容器壁總面積後的值。
2、溫度
在公式中常用"T"來表示氣體溫度，其單位則常為國際單位制中的開爾文（K）。
氣體粒子的速度和其絕對溫度成正比。在右邊的影片中，當氣球放進液態氮中時，因為溫度降低，氣體粒子速度變慢，氣球體積也隨之縮小。氣體系統的溫度和其中粒子（原子或分子）的運動有關。
在統計力學中，溫度可以表示儲存在粒子中的平均動能。儲存能量的方式和粒子的自由度有關。藉由氣體粒子碰撞，粒子產生平移、旋轉或是振動的運動，其動能也隨之提高。相反的，固體中的分子因為在晶格中，無法有平移或旋轉的運動，只能以振動的方式提高溫度。加熱的氣體，因為持續和容器或其他氣體粒子碰撞，其速度分布範圍較大，可以用麥克斯韋-玻爾茲曼分布描述，此時會假設氣體粒子近似為接近熱力學平衡狀態下的理想氣體。
3、比容
在公式中常用"v"來表示氣體比容，其單位則常為國際單位制中的立方米每千克（m/kg）。表示氣體體積常用"V"，其單位常為立方米（m）。
在描述熱力學性質時，會將性質區分內含及外延性質。和氣體的量（體積或是質量）有關的量稱為外延性質，和氣體的量（體積或是質量）無關的量稱為內含性質。比容是內含性質，是熱平衡時，單位質量氣體的體積。氣體的體積和氣體量有關，因此是外延性質。
固態和液體的比容會隨壓力或溫度而有輕微的變化，但壓力或溫度改變時，氣體的比容會有顯著的變化，溫度相同的氣體，當壓力減半時，其比容會加倍，因此氣體具有壓縮性。
4、密度
在公式中常用ρ來表示氣體密度，其單位則常為國際單位制中的千克每立方米（kg/m3），為比容的倒數。
由於氣體分子常會裝在容器中移動，其質量一般會用密度來表示。密度是單位體積下的質量，也是比容的倒數。氣體密度變化的範圍很大．因為當受到壓力或體積的限制時，氣體分子之間可以靠得更近。密度的變化即為可壓縮性，氣體的密度和壓力及溫度都是狀態變數，在過程中的變化會依照熱力學的定律。針對靜態氣體而言，氣體的密度在整個容器中是相同的。密度是一標量，若是固定質量氣體，密度和容器的體積成反比。
微觀屬性
1、分子運動論
分子運動論通過考慮氣體顆粒的成分和運動來對氣體的宏觀屬性提供一個內在的視角。
2、布朗運動
氣體粒子的隨機運動，一開始上方和下方是不同的氣體，但最後可以看出氣體的擴散。
布朗運動是描述流體中粒子隨機運動的數學模型。右圖動畫中粉紅色和綠色的粒子說明氣體運動的方式。
氣體實驗定律
五個氣體實驗定律分別是1662年R·玻意耳、 1785年J·A·C·查理、 1802年蓋-呂薩克、 1811年A·阿伏加德羅、 1802年J·道爾頓提出的。[2]
1、玻意耳定律
A、一定質量的某種氣體，在溫度不變的情況下，壓強與體積成反比。
B、公式:pv=C或p1v1=p2v2
C、條件:一定質量的氣體在P-V圖上的等溫線是一條雙曲線
2、查理定律
一定質量的氣體，當體積保持不變時，它的壓力p隨溫度t線性地變化，即p=p0(1+apt)式中p0，p分別是0℃和t℃時氣體的壓強，ap 是體積不變的氣體的壓力溫度係數。實驗測定，各種氣體的ap≈1/273°。
實驗表明，對空氣來說，在室溫和大氣壓下，以上三條定律近似正確，溫度越高，壓力越低，準確度越高 ;反之，溫度越低，壓力越高，偏離越大。(以空氣為例，在0℃，若壓強為1大氣壓時體積為1升，即pV等於1大氣壓·升，則當壓力增為500和1000大氣壓時，pV乘積增為1.34和1.99大氣壓·升，有明顯差別。)另外，同種氣體的av、ap都隨溫度變化，且稍有差別;不同氣體的av、ap也略有不同。溫度越高，壓力越低，這些差別就小，常溫下在壓力趨於零的極限情形，對於一切氣體，av=ap=1/273.15°。
3、呂薩克定律
一定質量的氣體，當壓強保持不變時，它的體積V隨溫度t線性地變化，即V=V0(1+avt)式中V0，V分別是0℃和t℃時氣體的體積;av是壓力不變時氣體的體膨脹係數。實驗測定，各種氣體的av≈1/273°。
4、阿伏加德羅
在相同的溫度和壓力下，1摩爾任何氣體都占有同樣的體積。在T0=273.15K和p0=1大氣壓的標準狀態下，1摩爾任何氣體所占體積為V0=22.41410×10-3米3/摩爾(m3·mol-1)。它也可表述為:在相同的溫度和壓力下，相同體積的任何氣體的分子數(或摩爾數)相等。
在標準狀態下，單位體積氣體的分子數即J.洛喜密脫常量為n0=2.686773×1025m-3，因此，1摩爾氣體所含分子數為NA=6.0221367×10^23 mol-1稱為阿伏伽德羅常量。根據摩爾的定義，組成物質系統的基本單元可以是原子，分子，也可以是離子，電子，其他粒子或這些粒子的特定組合。因此，阿伏伽德羅定律也可推廣為，1摩爾任何物質所包含的基本單元數都等於阿伏伽德羅常量。
5、道爾頓分壓
混合氣體的壓力等於各成分的分壓力之和。某一成分的分壓力是指該成分單獨存在時(即在與混合氣體的溫度、體積相同，且與混合氣體中所含該成分的摩爾數相等的條件下，以化學純狀態存在時)的壓力。