气体常数的符号为 R,是一个普适物理常数,将热力学温度与单位物质的量所对应的能量联系起来。它最为人熟知的应用是理想气体定律 pV=nRT,但也广泛出现在热力学和物理化学中。它在国际单位制中的精确值为 8.31446261815324 Jmol−1K−1。与某种气体特有的物性参数不同,R 对所有化学物种都相同。(physics.nist.gov)
定义与精确值
气体常数是阿伏伽德罗常数 NA 与玻尔兹曼常数 kB 的乘积:
R=NAkB.
玻尔兹曼常数描述单个粒子尺度上温度与能量之间的关系;将其乘以每摩尔所含的粒子数,就得到相应的摩尔尺度常数。在国际单位制(SI)中,定义所规定的精确值为
NA=6.02214076×1023 mol−1,kB=1.380649×10−23 JK−1.
因此,两者的乘积给出的是 R 的精确值,而不是带有不确定度的实验调整值。这一地位源自于 2019 年 5 月 20 日生效的修订版 SI 定义。常数本身的精确性并不意味着使用它进行的测量没有不确定度。(bipm.org)
单位与数值形式
R 的 SI 单位为焦耳每摩尔每开尔文。由于压强与体积的乘积具有能量的量纲,同一单位也可以写成 Pam3mol−1K−1。通过单位换算得到的其他常见数值形式包括
R≈0.08314462618 Lbarmol−1K−1
以及
R≈0.08205736608 Latmmol−1K−1.
这些并不是不同的物理常数:数值的差异只是单位不同所致。计算时,必须选用与压强、体积、能量和物质的量的单位相匹配的数值。8.314 等舍入值足以满足许多计算的需要,但并不代表 SI 中完整的精确值。(iupac.org)
在理想气体定律中的作用
理想气体的状态方程为
其中,p 为绝对压强,V 为体积,n 为物质的量,T 为热力学温度。温度必须采用绝对温标表示,通常以开尔文为单位;压强则必须以真空为基准测量,而不能采用表压。当 n 和 T 固定时,该方程表明压强与体积成反比;当 n 和 p 固定时,体积与温度成正比。(goldbook.iupac.org)
将方程两边除以 n,可得摩尔体积关系式 Vm=RT/p。例如,计算可得,一摩尔理想气体在 273.15 K 和 100000 Pa 下占据的体积约为 22.711 L。在相同温度、压强为 101325 Pa 时,其体积约为 22.414 L。因此,给出气体体积时必须明确温度和压强;“标准”摩尔体积并不是另一个普适常数。(physics.nist.gov)
普适气体常数与比气体常数
工程方程中经常使用比气体常数 Rs,其定义为
Rs=MR,
其中,M 为气体的摩尔质量。若 M 的单位为千克每摩尔,则 Rs 的单位为焦耳每千克每开尔文。代入 n=m/M,其中 m 表示质量,可得
pV=mRsT,p=ρRsT,
其中,ρ=m/V 为密度。与 R 不同,比气体常数取决于气体种类或混合物的组成。一些工程教材也直接用 R 表示比气体常数,因此需要根据单位和定义,将它与普适的摩尔气体常数区分开来。(www1.grc.nasa.gov)
热力学与化学中的应用
对于理想气体,定压摩尔热容与定容摩尔热容满足
Cp,m−CV,m=R.
这一关系可由焓的定义 H=U+pV 和理想气体定律推导得出。两者之差反映了定压加热过程中伴随膨胀而产生的功。这并不意味着 R 本身就是所有气体的热容:各气体的热容取决于分子结构和温度。这里,U 表示内能。(www1.grc.nasa.gov)
在化学平衡中,标准摩尔反应吉布斯自由能与无量纲的平衡常数之间具有如下关系:
ΔrG∘=−RTlnK.
因子 RT 也出现在化学势的表达式中,将摩尔能量与热力学活度的对数联系起来。这些应用不限于气体,也适用于溶液和其他相。(iupac.org)
在化学动力学中,阿伦尼乌斯方程的形式为
krate=Aexp(−RTEa),
其中,Ea 为摩尔活化能,A 为指前因子。比值 Ea/RT 是无量纲的;若改用单个粒子的活化能,则分母应使用 kBT。(goldbook.iupac.org)
真实气体及其对理想行为的偏离
对于真实气体,其对理想气体方程的偏离可以用压缩因子表示:
Z=nRTpV,pV=ZnRT.
理想气体的 Z=1。Z 不等于 1,表示气体偏离了理想行为,而不是普适气体常数发生了变化。方程中仍然使用同一个 R;因子 Z 描述的是非理想的压强—体积—温度关系。(goldbook.iupac.org)