研究物理学问题，经常要用一些物理量来描述研究对象．在研究气体的热学性质时,要用体积、压强、温度等物理量来描述气体的状态．描述气体状态的这几个物理量叫做气体的状态参量．
温度
温度是表示物体冷热程度的物理量．从分子动理论的观点来看，温度标志着物体内部分子无规则运动的剧烈程度．温度越高，物体内部分子的热运动越剧烈．
我们在初中学过热力学温度和摄氏温度．在国际单位制中，用热力学温标表示的温度，叫做热力学温度．热力学温度是国际单位制中七个基本量之一，用符号T表示．它的单位是开尔文，简称开，符号是K．摄氏温度的符号用t表示，它的单位是摄氏度，符号是℃．用热力学温度和摄氏温度表示温度的间隔是相同的，即物体升高或降低的温度用开尔文和摄氏度表示在数值上是相同的．热力学温度与摄氏温度的数量关系是
上式也可以粗略地表示为
体积
气体分子可以自由移动，因而气体总要充满整个容器．气体的体积就是指气体所充满的容器的容积．在国际单位制中，体积的单位是立方m，符号是m3．体积的单位还有L、mL，符号是L、mL．它们与立方m的关系是：
压强
气体对器壁有压力，这是气体分子频繁地碰撞器壁而产生的．用打气筒把空气打到自行车的车胎里去，会把车胎胀得很硬，就是因为空气对车胎有压力而造成的．气体作用在器壁单位面积上的压力叫做气体的压强．在国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，符号是Pa．
在左图中，容器内的气体被活塞封闭着，当活塞静止不动时（活塞与器壁间的摩擦不计），容器内的气体对活塞的压力跟大气压对活塞的压力平衡，容器内气体的压强p等于大气压强凡p0，即p=p0．
在右图中，用长为h的一小段水银柱把气体封闭在玻璃管里．玻璃管水平放置时（图甲），被封闭的气体的压强p1等于大气压p0，即p1=p0．玻璃管开口向上竖直放置时（图乙），被封闭气体的压强p2等于大气压p0加上这小段水银柱产生的压强ph，即p2=p0+ph．玻璃管开口向下竖直放置时（图丙），被封闭气体的压强p3加上这小段水银柱产生的压强ph等于大气压p0,即p3+ ph= p0,由此得到p3=p0-ph.
一定质量的气体，它的温度、体积和压强这三个量的变化是互相关联的．把一定质量的气体压缩到钢筒里，气体的体积缩小，同时压强增大，温度上升．燃气在气缸里工作的时候，体积膨胀，同时压强减小，温度降低．对于一定质量的气体来说，如果温度、体积和压强这三个量都不改变，我们就说气体处于一定的状态中．如果三个量中有两个发生了改变，或者三个都发生了改变．我们就说气体的状态发生了改变．
气体在温度保持不变的情况下发生的状态变化，叫做等温变化．我们来研究在等温变化中，一定质量的气体的压强随着它的体积而变化的规律．
玻璃管内封闭着的一定质量的空气，是我们研究的对象．空气的体积由玻璃管旁的刻度读出，压强由与玻璃管连通的气压计示出．用手向上提或向下压玻璃管里的活塞，改变气体的体积，同时读出对应于不同体积时气体的压强．
通过实验，观察这几组数据我们可以看到，气体的体积增大时，压强减小．通过计算可以看出，在误差的范围内，一定质量气体的压强跟体积的乘积是相等的．由反比例函数的知识知道，这表示压强跟体积成反比．
实验表明，在不同的温度下或者换用其他气体做实验，都得到相同的结论．也就是
一定质量的某种气体，在温度保持不变时，它的压强跟体积成反比，或者说，压强跟体积的乘积保持不变．用数学公式来表示，就是
或
式中的C是一个常量．
这个结论叫做玻意耳定律．它是英国科学家玻意耳（1627—1691）在1662年和法国科学家马略特（1620—1684）在1676年通过实验研究各自独立发现的．
设一定质量的某种气体，由压强p1、体积V1的某一状态，经过等温变化，变到压强p2、体积V2的另一状态，则有
或者
【例题】图中所示是一根长50cm、一端封闭的粗细均匀的细玻璃管．一段长19cm的水银柱将一部分空气封闭在细玻璃管里．当管口向上竖直放置（图甲）时，管内气柱长15cm．如果管口向下竖直放置（图乙），管内封闭的气柱有多长？水银是否会流出玻璃管？当时的大气压强为p0=1.0×105Pa．（g取9.8 m／s2）
玻意耳定律也可以用图象表示．在平面直角坐标系中，用纵轴表压强p，用横轴表示体积V，根据上面表中的数据可在坐标平面上画出若干个点，每一个点就表示气体的一个状态．多测出若干组压强和体积的数据，在坐标平面上可以得到更多的点．由这些点连成的平滑曲线
学知识知道，它是双曲线的一支．实验表明，对一定质量的某种气体，温度越高，常量C的数值越大．
气体在体积保持不变的情况下发生的状态变化，叫做等容变化．我们来研究在等容变化中，一定质量的气体的压强随温度而变化的规律．
如图实验装置研究对象是封闭在玻璃管中的那部分气体．把一定质量的气体封闭在玻璃管内，并旋紧紧固螺钉使活塞不能移动，以保持被封闭的气体体积不变．把玻璃管的下部浸在水中，达到热平衡时，被封闭的气体与水的温度相同，这时温度计示出的温度就是气体的温度，气体的压强由与气体连通的压强计示出．
改变水的温度，测得若干组气体温度和压强的数据．下表是用这个装置测得的若干组一定质量气体的温度、压强的数据，每组数据表示气体处于相应的某一状态．处理这些数据就可以确定气体的压强跟温度之间的定量关系．
从实验中知道，封闭在玻璃管中的气体，在体积保持不变的情况下，气体的温度升高时，它的压强增大了．可以看出：在误差范围内，一定质量气体的压强跟它的热力学温度有正比的关系．
1787年法国科学家查理（1746—1823）通过实验研究，发现所有气体都遵从以下规律：
一定质量的某种气体，在体积不变的情况下，它的压强跟热力学温度成正比．这个规律叫做查理定律．用数学公式来表示，就是
p=CT,
或
设一定质量的某种气体，由压强p1、温度T1的某一状态，经过等容变化，变到压强p2、温度T2的另一状态，则有
或
【例题】一定质量的气体，温度为300 K时，压强是1.0×105 Pa．保持其体积不变，温度升高到330 K时，压强是多大？当它的温度降低到－33℃时，压强是多大？
查理定律表明，压强是热力学温度的正比例函数，它的p－T图象是一条倾斜的直线，叫做等容线．延长等容线可以看到，当p = 0时，等容线的延长线通过坐标原点，这时的温度为OK．
由查理定律可以推知，在某一温度下，气体的压强变为零，这个温度就是绝对零度．实际上，在温度达到OK之前，任何气体都已液化甚至变为固体，查理定律早已不适用了．所以等容线向坐标原点方向的延长线用虚线表示．尽管如此，由查理定律外推得到的绝对零度，仍然具有实际的意义，它是低温的极限，能够无限接近，但不可能达到．
理想气体状态方程
根据上面得出的两个实验定律,我们来确定一定质量气体的压强、体积和温度这三个状态参量之间的关系．
根据玻意耳定律知道，一定质量的某种气体，在温度不变时压强跟体积成反比，即
根据查理定律知道，一定质量的某种气体，在体积不变时压强跟热力学温度成正比，即
综合起来，我们可以得到以下结论：
一定质量的某种气体，压强跟体积成反比，跟热力学温度成正比．
用数学式子可以把上述关系表达为
或者写成
上式表明，一定质量的气体尽管p、V、T这三个状态参量都可能改
玻意耳定律和查理定律实际上是在压强不太大、温度不太低的条件下总结出来的．在这种条件下，许多气体都近似地符合这两个实验定律．上面的结论是从这两个实验定律推导出来的，因此，也只有在这种条件下，各种气体才近似地符合这个关系．尽管如此，为了研究的方便，可以设想出一种气体，能够严格地遵守（1）式，这样的气体叫做理想气体．（1）表示的关系，是一定质量的某种理想气体处于某一状态时，三个状态参量必须满足的关系，叫做理想气体的状态方程．
理想气体是不存在的，它是实际气体在一定程度上的近似，是一种理想化的物理模型．有许多实际气体，特别是那些不易液化的气体，如氢气、氧气、氮气、空气、氦气等，在通常的温度和压强下，它们的性质很近似于理想气体，可以把它们当作理想气体来处理．这样处理不仅很简便，而且得到的结果误差很小．
但是，当压强很大、温度很低时，由理想气体状态方程得出的结果就和实际测量的结果有很大的差别.如果仍用理想气体状态方程来解决问题，就要产生较大的误差而偏离实际较远．这时可以在理想气体状态方程的基础上进行一些修正，得出更接近于实际的气态方程．
摩尔气体常量
（1）式中的常量C与气体的种类和质量有关：对相同的气体，如果质量m相同，常量C也相同；对不同的气体，即使质量m相同，常量C也不同．能不能找出对所有气体都适用的状态方程呢？
我们知道，在标准状态下，即在p0=1.013×105Pa、T0=273 K时，1mol的任何理想气体的体积都是Vm=22.4L．根据一定质量的理想气体状态方程，由此可以求得一个适用于1mol的任何理想气体的常量，通常用R来表示，即
R叫做摩尔气体常量．在国际单位制中，p0=1.013×105Pa=1.013×105N/m2，Vm=22.4×10 -3 m3/mol，T0=273 K，代入上式得到
对于1mol的任何理想气体，因为
所以
这就是 1mol理想气体的状态方程．
摩尔气体常量是热学中又一个重要常量．不仅在研究气体的热学性质中，而且在研究其他热现象中，它与阿伏加德罗常数一样，也起着重要作用．
盖·吕萨克定律
保持压强不变的情况下发生的状态变化，叫做等压变化．发生等压变化的气体遵从什么规律呢？
在压强不变的情况下，它的体积跟热力学温度成正比．这个关系最初是法国科学家盖·吕萨克（1778—1850）在研究了多种气体的热膨胀后得出的，因此人们把这个规律叫做盖·吕萨克定律．
从盖·吕萨克定律知道，体积是热力学温度的正比例函数，所以它的V－T图象是一条通过原点的倾斜的直线，叫做等压线．
理想气体状态方程的应用
在通常的温度和压强下，气体的性质很近似于理想气体，可以作为理想气体来处理．因此理想气体状态方程有广泛的应用．
【例题 1】2 mol某理想气体的压强是1.0×106Pa，温度是300 K，它的体积是多大？
【例题2】容积为 30 L的容器内装有氢气，在使用过程中，当容器内压强由4.9×106Pa降为9.8×105Pa、温度由27℃降低到7℃．时，容器里剩下的氢气是原来的百分之多少？
气体分子运动的特点
气体很容易被压缩，说明气体分子间的距离比较大．气体凝结成液体时，体积要缩小上千倍，可见气体分子之间的距离大约是分子直径的
分子看作是没有大小的质点．气体分子间的距离比较大，分子间的相互作用力十分微弱，通常可以认为，气体分子除了相互碰撞或者跟器壁碰撞外不受力的作用，可以在空间里自由移动．因此气体能充满它所能达到的空间，既没有一定的体积，也没有一定的形状．
虽然气体中的分子比较稀疏，但是单位体积中的分子数还是相当多．在标准状态下，1c m3气体中仍含有2.7×1019个分子．大量分子永不停息地运动，分子之间不断地发生碰撞．在标准状态下，一个空气分子在1s内与其他空气分子的碰撞竟达65亿次之多．频繁的碰撞使得每个分子速度的大小、方向频繁地改变，就某一个分子来说，它在某一时刻的速度具有怎样的大小和方向，完全是偶然的．频繁的碰撞造成气体分子做杂乱无章的热运动．
尽管分子的运动十分混乱，但对大量分子的整体来说，分子的运动却表现出一定的规律．
在气体中，某一时刻向任一个方向运动的分子都有，因而可以想见，在任一时刻分子沿各方向运动的机会是均等的，没有任何一个方向，沿着它运动的分子的数目更多．也就是说，气体分子沿各个方向运动的数目应该是相等的．这里所说的数目相等，是对大量分子用统计方法得到的一个统计平均数，与实际数目会有微小的出入．分子数越多，这种用统计方法得到的结果跟实际情况越符合．用分子动理论的观点研究热现象涉及的总是大量分子，因此统计方法非常有用．
大量分子做无规则运动，速率有的大，有的小，但分子的速率却按照一定的规律分布．研究表明，气体的大多数分子，速率都在某个数值附近，离开这个数值越远，分子数越少，表现出“中间多，两头少”的分布规律．下表是氧气分子速率的分布情况．我们看到，在0℃时，速率在300 m/s～400 m/s这一速率区间的分子数最多，速率大于400 m/s和小于300 m/s的分子数依次递减，速率很大和很小的分子实际上很少．温度升高时，速率小的分子数减少，速率大的分子数增加，仍然呈“中间多，两头少”的分布规律．气体分子的这种速率分布规律也是一种统计规律．
既然在一定温度下，某种气体的分子速率分布是确定的，我们就可以求出在这个温度下该种气体分子的平均速率，即所有分子的速率的平均值．温度升高时，速率大的分子数增加，分子的平均速率增大．
气体压强的微观解释
从分子动理论的观点来看，气体的压强是大量气体分子频繁地碰撞器壁而产生的．我们知道，雨滴打在雨伞上使伞面受到冲力．单个雨滴对伞面的冲力是短暂的，但是大量密集的雨滴接连不断地打在伞面上，对伞面就形成一个持续的均匀的压力．同样，单个分子碰撞器壁的冲力是短暂的，但是大量分子频繁地碰撞器壁，就对器壁产生持续、均匀的压力．所以从分子动理论的观点看来，气体的压强就是大量气体分子作用在器壁单位面积上的平均作用力．气体分子的平均动能越大，气体分子越密，对单位面积器壁产生的压力就越大，气体的压强就越大．
气体压强的产生可以用实验来模拟．
用小滚珠做空气分子模型．把装有滚珠的杯子拿到秤盘上方5 cm处，把1粒滚珠倒在秤盘上，秤会有一定的重量显示．再在相同的高处把100粒滚珠持续快速地倒在电子秤秤盘上，秤的显示会在某一重量附近变化．这说明大量滚珠撞击秤盘，对秤盘产生了持续的、均匀的压力．在一定的时间内，碰撞的滚珠越多，对秤盘产生的压力越大．
如果使100粒滚珠从更高的位置倒在秤盘上，可以观察到秤的数字显示更大．这表明，滚珠的动能越大对秤盘产生的压力越大．
由上述实验可以想见，气体中大量做无规则热运动的分子对器壁的频繁、持续的碰撞，自然就产生了气体的压强．气体压强的大小取决于气体分子的密度和平均动能．
气体实验定律的微观解释
一定质量的气体，分子的总数是一定的．在温度保持不变时，分子的平均动能保持不变．在这种情况下，气体的体积减小到原来体积的几分之一，气体单位体积的分子数就增大到几倍，因此压强就增大到几倍．气体体积增大时，情况恰好相反．所以气体的压强与体积成反比．这就是玻意耳定律．
一定质量的气体，体积保持不变而温度升高时，分子的平均动能增大，因而气体的压强增大．温度降低时，情况恰好相反．这就是查理定律所表达的内容．
一定质量的气体，温度升高时要保持压强不变，只有增大气体的体积，减小分子的密度才行．因为温度升高，分子的平均动能增大，压强有增大的倾向；而体积增大，分子密度减小，使压强有减小的倾向．当体积增大到一定程度时，这两种倾向抵消，才能保持压强不变．这就是盖·吕萨克定律所表达的内容．
气体分子动理论不仅能够解释上述气体实验定律，而且能够解释气体的其他一些性质，如气体的比热容、扩散、热传导等．气体分子动理论是热学和分子物理学的重要组成部分，它使人们对气体的研究从宏观领域进入微观领域，扩展和加深了人们对气体性质的认识．
*饱和汽和未饱和汽
装在敞口容器里的液体，蒸发出来的汽分子能够分散到周围空间里去，所以过一段时间液体会全部蒸发完．盛在密闭容器里的液体，即使过很长时间，也不会蒸发完，这是什么原因呢？
原来在容器中的液面上同时进行着两种相反的过程：一方面分子从液面飞出来，另一方面液面上的汽分子又撞到液面上，会回到液体中去．在密闭的容器中，随着液体的不断蒸发，液面上汽的密度不断增大，回到液体中分子数也逐渐增多．最后，当汽分子的密度增大到一定程度时，就会达到这样的状态：在单位时间内回到液体中的分子数等于从液面飞出去的分子数．这时汽的密度不再增大，液体不再减少，液体和汽之间达到了平衡状态，这种平衡叫做动态平衡．跟液体处于动态平衡的汽叫做饱和汽，没有达到饱和状态的汽叫做未饱和汽．在一定温度下，饱和汽的密度是一定的，未饱和汽的密度小于饱和汽的密度．
*饱和汽压
饱和汽所具有的压强，叫做这种液体的饱和汽压．
实验表明，在相同的温度下，不同液体的饱和汽压一般是不同的．挥发性大的液体，饱和汽压大．例如20℃时，乙醚的饱和汽压为5.87×104Pa，水为2.34×103Pa．水银的饱和汽压很小，20℃时仅为1.60×10-1Pa，所以水银气压计Hg上方的空间可以认为是真空．
实验表明，饱和汽压随温度的升高而增大．这是因为，温度升高时，液体里能量较大的分子增多，单位时间内从液面飞出的分子也增多，致使饱和汽的密度增大，同时汽分子热运动的平均动能也增大．
实验还表明，在温度不变的情况下，饱和汽的压强不随体积而变化．原来，当体积增大时，容器中汽的密度减小，原来的饱和汽变成了未饱和汽，于是液体继续蒸发，直到未饱和汽成为饱和汽为止．由于温度没有改变，饱和汽的密度跟原来的一样，汽分子热运动的平均动能也跟原来一样，所以压强不改变．体积减小时，容器中汽的密度增大，回到液体中的分子数多于从液面飞出的分子数，于是一部分汽变成液体，直到汽的密度减小到等于该温度下饱和汽的密度为止．由于温度跟原来相同，饱和汽密度不变，汽分子热运动的平均速率也跟原来相同，所以压强也不改变．
由于饱和汽的压强只与温度有关，与体积没有关系，因此，前面讲的理想气体定律对饱和汽完全不适用，而未饱和汽近似地遵守理想气体定律．
泼在地上的水、江河湖海里的水都在蒸发，动植物的表皮以及动物的呼吸也在不断地散发出水蒸气，使得我们周围的空气含有水蒸气．一定体积的空气中含的水蒸气越多，空气就越潮湿；含的水蒸气越少，空气就越干燥．空气的干湿程度跟我们的生活和生产有密切的关系．空气太潮湿，我们会感到气闷，东西容易发霉；空气太干燥，我们的口腔和鼻腔会感到干燥难受，植物容易枯萎．在某些生产部门以及贮藏物品和保存名贵书画等艺术品的地方，如纺织厂、博物馆等，都要求空气保持适当的湿度．
*空气的湿度
空气的湿度可以用空气中所含水蒸气的密度，即单位体积的空气中所含水蒸气的质量来表示．由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难，而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大，所以通常用空气中水蒸气的压强来表示空气的湿度．空气中所含水蒸气的压强叫做空气的绝对湿度．例如，空气里水蒸气的压强是2.0×103 Pa，空气的绝对湿度就是2.O×103 Pa．
实际上，水蒸发的快慢、动物感觉到的干燥或湿润，不是完全由空气绝对湿度的大小决定的，而是跟空气中的水蒸气离饱和状态的远近有关系．饱和水蒸气的压强随温度的升高而增大，在空气的绝对湿度一定的情况下，气温高时水蒸气离饱和状态远，水蒸发得快；气温低时水蒸气离饱和状态近，水蒸发得慢．例如，空气的绝对湿度是1.1×103 Pa时，在气温是20℃的白天，由于20℃时水的饱和汽压是2.3×103 Pa，水蒸气离饱和状态较远，我们就感到空气比较干燥；而在夜晚气温降为10℃，由于10℃时水的饱和汽压是1.2×103 Pa，水蒸气接近饱和，我们就感到空气很潮湿．为了表示空气中水蒸气离饱和状态的远近，物理学中引入了相对湿度的概念．某温度时空气的绝对湿度跟同一温度下水的饱和汽压的百分比叫做这时空气的相对湿度．如果用p表示空气的绝对湿度，用ps表示同一温度下水的饱和汽压，用B表示相对湿度，那么，
如果在气温20℃时绝对湿度p=1.1×103 Pa，因为20℃时水的饱和汽压ps=2.3×103 Pa，所以空气的相对湿度
不同温度下水的饱和汽压可以查表得到．
由于水的饱和汽压随温度的升高而升高，在绝对湿度不变而温度降低时，空气的相对湿度就增大．在住人的房间里，相对湿度为60％～70％比较适宜．水稻在抽穗扬花期，最适宜的相对湿度是70％～80％．
*露点
气温逐渐降低时，空气里的未饱和水蒸气将逐渐接近饱和．当气温降低到某一温度时，水蒸气达到饱和状态，这时将有水蒸气凝结成水，在物体表面上形成一层细小的露滴．使空气里的水蒸气刚好达到饱和时的温度叫做露点．
空气中含的水蒸气多，气温只要少许降低一点，就达到露点，水蒸气就达到饱和；反之，空气中含的水蒸气少，气温要降低较多，才能达到露点，水蒸气才达到饱和．因此，根据露点和气温的差值，可以大致判断出空气中水蒸气的饱和程度．从而判断出相对湿度的大小．
*湿度计
实验室、家庭常用的湿度计是由两支完全相同的温度计组成的：温度计A叫做干泡温度计，用来测量空气的温度；温度计B叫做湿泡温度计，它的感温泡上包着棉纱，棉纱的下端浸在水中，这种湿度计叫做干湿泡湿度计．由于水的蒸发，温度计B指示的温度总是低于温度计A的．空气的相对湿度越小，其中的水汽离饱和越远，湿泡温度计B上的水蒸发得越快，温度就降得越低，两支温度计的温度差就越大．空气的相对湿度越大，其中的水汽越接近饱和，温度计B上的水蒸发得就越慢，A、B的温度差就越小．所以，干湿泡湿度计的温度差的大小跟空气的相对湿度有直接关系．把不同温度时相应于不同的干湿泡温度差的相对湿度计算出来，绘制成表或画成曲线，根据干湿泡湿度计上A、B两支温度计的读数，从表或曲线上很快就可以得出空气的相对湿度．