理想气体定律:练习题及分步解答

免费的理想气体定律练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:由 n、V、T 求 P, 由质量求, 状态变化或密度。

免费练习题简单
n = 1.5 molV = 20 LT = 35 °CP = ?

刚性容器内装有理想气体。求其压强 P。

n = 1.5 molV = 20 LT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)
kPa
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练习内容

  1. 简单由 n、V、T 求 P
  2. 中等由质量求
  3. 困难状态变化或密度

关键公式

理想气体定律
pV = nRT
气体常数
R = 8.314 J/(mol·K)
联合气体定律
p1V1/T1 = p2V2/T2
物质的量
n = m/M
温度
T[K] = T[°C] + 273.15

从零开始学习理想气体定律

1什么是理想气体定律

气体是大量飞来飞去、撞击容器壁的分子。这些撞击对容器壁产生推力:每平方米的推力就是压强。

把气体压入更小的体积,分子撞击容器壁更频繁:压强升高。加热它,分子运动更快:压强也升高。

对于大多数在常压下的气体,一个方程就把这一切联系起来:

P · V = n · R · T
  • P:压强,单位 Pa(1 kPa = 1000 Pa)。
  • V:体积,单位 m³(1 L = 0.001 m³)。
  • n:气体的物质的量,单位 mol。
  • T:以开尔文计的热力学温度。
  • R = 8.314 J/(mol·K),气体常数。
自测 对 20 °C 的气体,在 PV = nRT 中应代入哪个温度?
  1. 20 K
  2. 20 °C
  3. 293.15 K
  4. −253.15 K

答案: 293.15 K. 气体定律需要热力学温度:T = 20 + 273.15 = 293.15 K。在 0 °C 时气体仍然有压强,所以从 0 °C 起算的温标行不通。

2与 R 匹配的单位

R = 8.314 J/(mol·K) 适用于国际单位制。一焦耳等于一 Pa·m³,所以 P 用 Pa,V 用 m³。这样一切就吻合了。

  • 温度:T[K] = T[°C] + 273.15。
  • 体积:1 L = 0.001 m³,所以 20 L = 0.020 m³。
  • 压强:结果的单位是 Pa。除以 1000 得到 kPa。
  • 质量:如果你知道以克为单位的质量 m,用 n = m/M 求物质的量,其中 M 是摩尔质量,单位 g/mol(N₂:28.01,CO₂:44.01)。

一个有用的捷径:V 用升时,n·R·T/V 直接给出以 kPa 为单位的 P,因为升的因子 1000 与 kPa 的因子 1000 相互抵消。

自测 5 L 是多少立方米?
  1. 0.005 m³
  2. 0.05 m³
  3. 0.5 m³
  4. 5000 m³

答案: 0.005 m³. 一立方米有 1000 升,所以 5 L = 5/1000 = 0.005 m³。

3改变气体的状态

如果一定量的气体从一个状态变到另一个状态,n 和 R 保持不变。所以 PV/T 保持不变:

P₁V₁T₁P₂V₂T₂
P1·V1 / T1 = P2·V2 / T2

这就是合并气体定律。任何压强和体积的单位都可以,只要两边相同。温度仍须用开尔文。

气体的密度同样可由 n = m/M 得出:

ρ = P · M / (R · T)

P 以 kPa、M 以 g/mol 为单位时,ρ 的结果单位是 kg/m³。

4分步方法

  1. 列出已知值和未知量。
  2. 把温度换算成开尔文。
  3. 如果给出质量,求物质的量:n = m/M。
  4. 把体积换算成 m³(或保留升并使用 kPa 的捷径)。
  5. 把 PV = nRT 整理成未知量的表达式,然后代入数值。
  6. 对于状态变化,改用 P1V1/T1 = P2V2/T2。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

一个 20 L 的刚性容器在 25 °C 时装有 88 g CO₂(M = 44.01 g/mol)。把它当作理想气体,求压强 P。

1

列出数值

m = 88 gV = 20 LT = 25 °CP = ?

我们知道质量、体积和温度。先把质量换算成物质的量。

2

物质的量

n = m/M = 88/44.01 = 2.000 mol
3

换算单位

T = 25 + 273.15 = 298.15 K
V = 20 L = 0.020 m³
4

理想气体定律

P = nRT/V = 2.000 · 8.314 · 298.15 / 0.020 ≈ 247 800 Pa

这约为 247.8 kPa。

5

检验答案

在 25 °C 和 1 atm(101.3 kPa)下,一摩尔气体约占 24.5 L。这里 2 mol 被压进 20 L,每摩尔的空间小了约 2.5 倍,所以约为 2.5 atm。247.8 kPa 吻合。

答案

P ≈ 247.8 kPa。

6常见错误

  • 使用 °C 而不是开尔文。这是最常见的错误,可能使答案小很多倍或大很多倍。
  • 把升代入 R = 8.314 的公式,却期望得到 Pa。
  • 忘了把克换算成摩尔。
  • 在合并气体定律中把压强比颠倒。
自测 一份气体在 100 kPa、10 L、27 °C 时,变到 200 kPa 和 327 °C。新的体积是多少?
  1. 10.0 L
  2. 40.0 L
  3. 5.0 L
  4. 60.6 L

答案: 10.0 L. 换成开尔文:V₂ = 10 · (100/200) · (600.15/300.15) = 10.0 L。用 °C 会得到 10 · 0.5 · 327/27 = 60.6 L。忽略温度会得到 5 L,把压强比颠倒会得到 40 L。

7考试题是什么样的

  • 简单:在刚性容器中由 n、V 和 T 求 P。
  • 中等:给出的是质量。先求 n = m/M,再求 P 或 V,如例题所示。
  • 困难:状态变化(用合并气体定律求 V2)或气体的密度。

密度示例:N₂(M = 28.01 g/mol)在 200 kPa 和 27 °C 时,ρ = 200 · 28.01/(8.314 · 300.15) = 2.24 kg/m³。

在应用中一步一步地学在应用中一步一步地学

例题详解

例题 1简单
n = 5 molV = 15 LT = 30 °CP = ?

刚性容器内装有理想气体。求其压强 P。

n = 5 molV = 15 LT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)

求: P (kPa)

显示提示
  1. 用绝对温度(K)代入 PV = nRT。
  2. 单位:V 用 m³、R = 8.314 时,P 的单位为 Pa。1 L = 0.001 m³。
  3. T = 303.1 K.
显示答案和分步解答

理想气体定律:PV = nRT,使用绝对温度(K)和与 R 一致的单位。

换算单位

T = 30 + 273.15 = 303.1 K
V = 15 L = 0.015 m³

理想气体定律

P = nRT/V = 5·8.314·303.1/0.015 = 840130 Pa = 840.1 kPa

答案

P = 840.1 kPa
例题 2中等
500 g O₂V = 10 LT = 50 °CP = ?

容积为 10 L 的容器中装有 500 g O₂,温度为 50 °C。按理想气体处理,求压强 P。

m = 500 gM = 32 g/molV = 10 LT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)

求: P (kPa)

显示提示
  1. 先将质量换算为物质的量:n = m/M。
  2. 然后以 K 为单位的 T 代入 PV = nRT。
  3. n = 15.63 mol.
显示答案和分步解答

理想气体定律:PV = nRT,其中 n = m/M。

物质的量

n = m/M = 500/32 = 15.63 mol
T = 50 + 273.15 = 323.1 K

压强

P = nRT/V = 15.63·8.314·323.1/0.01 = 4198 kPa

答案

P = 4198 kPa
例题 3困难
He, M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 70 °Cρ = ?

按理想气体处理,求He在 850 kPa 和 70 °C 下的密度 ρ。

M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

求: ρ (kg/m³)

显示提示
  1. 将 n = m/M 代入 PV = nRT,整理出 m/V。
  2. ρ = PM/(RT)。P 用 kPa、M 用 g/mol 时,ρ 的单位为 kg/m³。
  3. T = 343.1 K.
显示答案和分步解答

理想气体密度:ρ = PM/(RT)。

整理气体定律

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273.15 = 343.1 K

密度

ρ = 850·4.003/(8.314·343.1) = 1.193 kg/m³

答案

ρ = 1.193 kg/m³

问与答

什么是理想气体定律?

气体是大量飞来飞去、撞击容器壁的分子。这些撞击对容器壁产生推力:每平方米的推力就是压强。

把气体压入更小的体积,分子撞击容器壁更频繁:压强升高。加热它,分子运动更快:压强也升高。

理想气体定律题目如何一步步求解?

理想气体定律:PV = nRT,使用绝对温度(K)和与 R 一致的单位。

理想气体定律练习包括哪些内容?
  • 简单: 由 n、V、T 求 P
  • 中等: 由质量求
  • 困难: 状态变化或密度

每道题的数值都不同,让你掌握方法,而不是记住答案。 卡住了?先打开一个小提示,需要时再查看完整解析。

练习方式

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