氣體

氣體（英語：gas，荷蘭語：「gas」，舊稱瓦斯）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。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、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，其他相態可以參照相態列表。

## 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（惰性氣體）：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（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。

## 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著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著氣體的微觀屬性或是粒子層面的看法。

### 壓力

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，若氣體粒子是沿著容器壁運動，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。

壓強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。

### 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，其速度分佈範圍較大，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。

### 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（m3/kg）。表示氣體體積常用"V"，其單位常為立方米（m3）。

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強或溫度而有輕微的變化，但壓強或溫度改變時，氣體的比容會有顯著的變化，溫度相同的氣體，當壓強減半時，其比容會加倍，因此氣體具有壓縮性。

### 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．因為當受到壓強或體積的限制時，氣體分子之間可以靠得更近。密度的變化即為可壓縮性，氣體的密度和壓強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。密度是一純量，若是固定質量氣體，密度和容器的體積成反比。

## 微觀屬性

### 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。

### 布朗運動

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。

### 分子間作用力

氣體顆粒間短暫的吸引（或排斥）對氣體動力學會有影響。在物理化學中，給這類分子間作用力一個名稱叫「范德華力」。這種力在決定氣體的物理屬性（比如粘性和流速）時很重要。在特定條件下（參見分子動力學理論）忽略這種力使得真實氣體可以被當作理想氣體看待，從而可以使用理想氣體定律做簡化計算。

## 模型

### 理想氣體

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

只有在溫度高和壓力極低的情況下，分子間距離大大增加，分子間作用力趨向於零，實際氣體才接近於理想氣體。而像He、H2、O2、N2這樣的氣體，不易液化，在常溫常壓下的性質也近似於理想氣體。

理想氣體遵守理想氣體狀態方程式：

$$PV=nRT$$

其中P、V、n和T分別是壓強、體積、氣體莫耳數及絕對溫度，R為理想氣體常數，8.314 J/(mol K)。

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。常溫常壓下的空氣也近似理想氣體。

### 真實氣體

真實氣體一般是指有以下的特性，不能用理想氣體簡化的氣體：

- 壓縮因子Z不為1。
- 比容會隨溫度而改變。
- 非平衡態熱力學下的氣體。
- 氣體粒子之間的范德華力不能忽略。
- 氣體粒子有離解，或是和其他粒子發生基元反應。

## 歷史成果

氣體形態可通過其體積、溫度和其壓強所影響。這幾項要素構成了多項氣體定律，而三者之間可以互相影響：

### 波以耳定律

波以耳定律是指在一定溫度下，氣體體積增大時，其壓強必減小。這可用以下公式表達：

$$V=\frac{k}{P}$$

這裡

- V 是指氣體的體積
- P 指壓強
- k 為一常數

### 查理定律

查理定律是指當壓力保持固定時，氣體體積與其溫度成正比。即是氣體溫度一增加，其體積也隨之而增大。其數學表達式為：

$${V_1 \over T_1} = {V_2 \over T_2}$$

這裡

- V 是指氣體的體積
- T 指溫度，單位為絕對溫標K

### 蓋-呂薩克定律

蓋-呂薩克定律是指一固定容器內的理想氣體，其壓強和溫度成正比

$$\frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2} \,$$

這裡

- P 是指氣體的壓強
- T 指溫度，單位為絕對溫標K

### 亞佛加厥定律

亞佛加厥定律是指相同溫度及壓強的理想氣體，其體積和其莫耳數成正比，由此可得氣體的莫耳體積，在標準狀況下是22.4公升。氣體體積和莫耳數的關係如下：

$$\frac{V_1}{n_1}=\frac{V_2}{n_2} \,$$

其中n等於氣體的莫耳數（總分子數除以亞佛加厥數）

### 道爾頓分壓定律

道耳吞定律是指不會反應的理想氣體混合物，其總壓力等於各氣體分壓的和，若有n種氣體，可以表示為下式：

壓強total = 分壓1 + 分壓2 + ... + 分壓n

## 特殊主題

### 可壓縮性

熱力學家利用可壓縮係數（Z）來調整理想氣體方程式，考慮真實氣體可壓縮性的影響。可壓縮係數是實際比容和理想比容之間的比例。一般而言其數值很接近1，可壓縮係數圖描述可壓縮係數和溫度之間的變化。

### 雷諾數

在流體機械上，雷諾數是慣性力（vsρ）和粘滯力（μ/L）之間的比例，是流體力學中最重要的無因次量，常和其他無因次量配合使用來提供動態相似性的準則。雷諾數可以提供模型和全尺寸的實際條件之間的相關性，也常用來作為流體的分類。

### 黏度

黏度是有關相鄰粒子之間影響程度的物理量。固體因為內部的分子間作用力，可以承受剪力，流體在類似的剪力下則會持續的變形，氣體的黏度比液體小，不過仍可以觀測到黏度的影響，若是氣體沒有黏度，就不會黏在機翼的表面形成邊界層。一個有關三角翼紋影照相的研究可以看出氣體分子之間會粘在一起（參照「邊界層」一節）。

### 紊流

紊流是指流場有隨機的、混沌的變化，包括少量的動量擴散，大量的動量對流，壓強和速度在空間和時間上有快速的變化。

### 邊界層

當氣體粒子沿著一物體表面流過時，有些粒子會因物體表面而速度變慢，好像粘在物體表面一樣，這稱為邊界層。主要是因為表面的摩擦力造成。物體和上面的邊界層會影響後面的流體，而邊界層也會和物體表面分離，形成新的表面，並且改變流體流動的路徑。像飛機的失速就是因為邊界層分離使得機翼的升力下降。

### 熱力學平衡

當系統中沒有能量轉移時，此系統已達到熱力學平衡。一般而言此時系統和週圍的溫度相同，因此不會有熱的轉移。這也表示外力是平衡的，系統體積不會變化，系統中的化學反應也已完成。熱力學平衡需要的時間隨系統而不同，像冰塊在室溫下約花幾個小時才能融化，在半導體內，一元件由開到關產生的熱轉移可能只需要數奈秒的時間。

## 參見

固體→融化→液體→氣化→氣體----固體←凝固←液體←液化←氣體----氣體←昇華←固體←凝華←氣體

- 地球大氣
- 理想氣體
- 空氣
- 蒸氣
- 等離子體
- 氬
- 二氧化碳
- 氯
- 天然氣
- 氮
- 氧
- 工業氣體
- 火山氣體