1 理想气体的假设

理想气体模型主要基于两个假设：

1）分子为硬球体：忽略分子本身的体积，将其视为无限小的点；

2）无分子间作用力：碰撞时能量完全守恒，无吸引或排斥；

其方程为：PV=nRT（理想气体）； 

真实气体方程为：PV=ZnRT（Z为压缩因子）；

当气体处于高压或低温环境时，理想气体的假设逐渐失效，真实气体的特性开始显现；

2 真实气体压缩因子

2.1 真实气体跟压力的关系

图1

图1曲线是在273k(-0.15°C)下得到；可以看出在10个大气压下，真实气体的压缩因子约等于1，而在1000bar的时候，H2的压缩因子到了约1.6，而氮气的压缩因子到了约2.1；

2.2 真实气体和温度的关系

图2

图2曲线是N2在三种不同温度下的压缩因子曲线；

可以看出介质温度越高，真实气体的表现就越接近理想气体。

3 真实气体曲线解析

3.1 分子体积的影响

因为理想气体的体积假设为零，而真实气体当压力越来越大时，气体间的分子距离越来越小，此时气体所占的体积大于理想气体定律预测的体积。因此，在非常高的压力下，实验测量的PV/nRT值大于理想气体定律预测的值。

3.2 分子间相互作用力的影响

所有分子都会被各种力相互吸引。这些力对于分子间距离较短的低温高压气体尤为重要。分子之间的吸引力减少了与容器壁的碰撞次数，随着吸引相互作用次数的增加，这种效果变得更加明显。由于分子之间的平均距离减小，气体施加在容器壁上的压力减小，观察到的压力低于预期。

在图2中，N2的温度在173K(-100.15°C)时，初始曲线由于低温导致的分子作用力使得PV/nRT的比值低于理想气体的预测值，当压力升高时，分子体积的影响逐渐占主导地位，使得PV/nRT的比值又逐渐高于理想气体的预测值。

在高温下，分子具有足够的动能来克服分子间的吸引力，分子体积的影响占主导地位。相反，随着温度的降低，气体分子的动能降低。最终，分子无法再克服分子间的吸引力，气体液化（凝结成液体）。

4 真实气体的应用

4.1 储罐内气体质量的计算

比如一个95MPa, 1m³，介质温度25℃的氢气储罐，其内部的氢气质量计算:

1)用理想气体算，根据P1V1/T1=P2V2/T2,由于在标况下氢气的密度为0.089g/L（101.325kpa,0°C），即P1=950bar，V1=1m³，T1=298.15K,P2=1.01bar，T2=273.15K,算出V2=861Nm³，所以氢气的质量为标况下的密度x标况体积=0.089kg/Nm*861Nm³=76.6kg；

2）真实气体计算，根据真实气体方程算出，在当前条件下氢气的密度是48.46kg/m³，所以氢气的质量也是48.46kg；

3）通过76.6kg/48.46kg=1.57，可以看出在当前压力和温度下，按照理想气体计算得到的气体质量是真实气体质量的1.57倍，这一数值是和图1中氢气的压缩因子是相对应的。

原因在于：在相同的压力，体积和温度的条件下，根据PV=nRT和PV=ZnRT可以推导出，气体的摩尔数n(理想气体）=Zn(真实气体)，即理想气体算出的摩尔数是真实气体的Z倍，这也是因为真实气体的非零体积，导致真实气体的实际气体数量更少。另外气体的质量=摩尔数*摩尔质量，对于同一种气体，其摩尔质量相同，所以理想气体方程算出的质量是真实气体算出质量的Z倍；

4.2 压缩机输出流量的计算

真实气体的计算对于高压压缩机尤为重要，根据4.1的推断，按照理想气体体积算出的压缩机输出质量流量也是实际压缩机输出质量流量的Z倍。这里的Z是压缩机高压入口的气体压缩因子；

对于入口是1000bar的氮气，那么压缩机的实际输出质量流量只有理想气体计算的约1/2左右，可想而知对配置的影响非常大。

同时涉及到多级压缩机流量匹配时，用理想气体计算也会导致二级或三级的压缩机流量不匹配，一级压缩机流量很大，但被后续的压缩机流量给限制住了。

通过上述分析，我们深入了解了理想气体与真实气体之间的差别及其在实际应用中的影响。在面对真实气体特性带来的挑战时，麦格思维特（上海）流体工程有限公司致力于为客户提供先进的流体工程解决方案。欢迎各界朋友来电咨询或后台留言交流，了解更多关于真实气体处理和流体工程技术的信息。