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气体是不断运动的物质。它们受热量和压力的影响，这使得它们有许多不同的应用。
固体和液体很容易被看见，但气体通常是看不见的。300 多年前，人们首先研究的气体是空气。那时科学家们并不知道空气是由许多不同的气体组成的。然而，他们最令人惊讶的发现之一是，尽管空气是一种混合物，但它的行为与纯气体相同。无论由原子构成，还是由分子构成，气体的行为都是相似的。因此，适用于一种气体的规则也适用于所有其他气体。
比较气体的行为，需要在相同的温度和压力下进行，这样的温度和压力状况被称为“标准温度和压力”（STP），简称标准条件或标准温压。在STP 中，温度是用摄氏温标或开尔文温标来表示的。压力的测量单位叫作标准大气压。STP 一般指0℃（或273K），1 个标准大气压。在计算气体的温度时，科学家有时使用开尔文温标。开尔文温标上的零度是宇宙理论上可能的最低温度（-273℃）。
化学家经常以“摩尔”为单位来比较气体。1 摩尔的任何物质都含有6.022×10 23 个原子或分子。在STP 下，1 摩尔任何气体的体积均是22.4 升。
所有的气体都有一系列的物理特性。以下6 个特性是所有气体共有的：
1 所有气体都有质量。一个充满氦气的气球有质量，但它能浮起来是因为氦气的密度比周围空气的密度小。
该图为充满氦气的气球。氦原子每单位体积的质量比大多数其他气体的小。这使得它们比周围的空气更轻，所以充满氦气的气球会飘浮在空中。
2 气体很容易被压缩（被压缩到更小的体积，就像汽车轮胎中的压缩空气一样）。固体和液体不容易被压缩。
3 气体会扩散并填满所有可用的空间。在容器中，气体会扩散，直到它们均匀地分布在容器中。当你给气球充气时，气球内部的空气分布在整个气球中，而不会集中在气球的某一部分。
4 不同的气体很容易互相混合。气体扩散是指某种气体分子通过扩散运动进入其他气体里的现象。扩散实质上是气体粒子相互碰撞的随机运动。最终，气体粒子均匀地分散开来。扩散解释了为什么空气是气体的混合物。
5 气体会产生压力。汽车轮胎里的空气会产生压力。在汽车、飞机或电梯里，我们都会经历压力变化。当飞机快速上升时，你可能会感到耳朵里有响动。这是因为耳朵需要保持一个恒定的压力来保护耳膜。
6 气体的压力取决于它的温度。温度升高时，气体的压力增大；当温度降低时，气体的压力减小。在夏天非常炎热的地方，汽车轮胎可能会过度膨胀，这很危险。在冬季寒冷的地方，情况恰恰相反。
气体的这6 个特性都可以用气体动理论来解释。利用这个理论，科学家们可以建立一个模型来解释气体的这些行为。
气体动理论可以解释气体的这6 个特性。气体粒子比固体或液体粒子有更高的动能。气体粒子总是相互碰撞。可以把装满气体的容器想象成一个装满小橡皮球的大罐子，当你摇动罐子时，橡皮球会相互碰撞，并从罐子壁上弹回。然而，气体粒子有自己的动能，所以不需要摇晃容器。这些气体粒子的碰撞被称为“弹性碰撞”。在弹性碰撞中，气体不会损失任何能量。橡皮球没有弹性碰撞，它下落时会反弹，但每次反弹达到的高度都比前一次要低，因为在每次反弹过程中，都会有部分能量被转移。
由于气体粒子具有动能，所以它们会撞击容器壁，从而对容器壁产生压力。气体的特性之一是随着温度的升高，压力会增大，这是因为在更高的温度下，气体粒子移动得更快，所以与容器壁碰撞的次数也更多了。气体动理论可以概括为以下4 点：
1 气体是由不断随机运动的分子组成的。
试试这个
泡泡会浮在空中还是会下沉？
1 在瓶盖上打个孔，孔的大小以刚好能塞进泡泡棒为宜。
2 在一个小碗里加入少量洗手液和水。
3 将泡泡棒浸入其中，然后取出泡泡棒，在空中挥舞泡泡棒。泡泡应该会浮在空中。
4 向瓶子中加入少量小苏打、水和醋，盖上盖子。这个反应会产生二氧化碳。
5 握住泡泡棒末端，将泡泡棒插入瓶中，浸入水中。此时，应该有足够的二氧化碳从泡泡棒中间逸出形成泡泡。观察二氧化碳气体形成的泡泡。它们应该会掉到地上，这是因为二氧化碳比空气重。
二氧化碳从泡泡棒中逸出，形成泡泡。泡泡下沉是因为二氧化碳比空气重。
扩散和渗出
有时气体粒子非常小，以至于每次只能有一个粒子穿过分子间的空隙。这一过程与扩散有关，但被称为“渗出”。以下说明了渗出是如何影响填充了不同气体的气球的。
氢气气球和氦气气球之所以能飘起来，是因为它们比空气轻。氧气比空气重，所以氧气气球不能飘浮。
（a）氢原子很轻，运动很快，所以这个气球会先瘪。
（b）氦原子比氢原子稍重，所以这个气球泄气的速度会慢一些。
（c）氧原子比其他两种气体的原子大，渗出速度慢，所以这个气球将是最后一个泄气的。
气体渗出的速度取决于其分子质量和分子运动的速度。较轻且运动较快的气体相比较重且运动较慢的气体泄露得更快。
2 气体分子只有通过碰撞才能相互影响。它们不会对彼此施加其他力。
3 所有气体分子之间的碰撞都是弹性碰撞；所有的动能都是守恒的，气体的总动能保持不变。
4 气体体积为气体分子所能达到的空间的体积，而气体分子体积很小，体积之和远小于气体体积，因此，气体所占空间的绝大部分是空的，气体分子在其中运动。
科学家用体积、温度、压强和气体分子的数量这4 个变量来描述气体，并预测当条件改变时气体的行为。
气体分子的数量（ n ）用摩尔表示。用气体的总质量（以克为单位）除以1 摩尔气体的质量，便可得到被测样品中气体分子的数量。
气体的体积（ V ）等于容器的容积。气体的体积通常用升（L）来计量。
温度（ T ）通常用温度计来测量。压强（ P ）是粒子与容器壁碰撞次数的度量。
当科学家们在17 世纪和18 世纪开始研究气体时，他们发现，当某些条件发生变化时，所有气体的行为都是相似的。
通过观察和实验，他们最终总结出了一些描述气体行为的科学定律。这些科学定律被称为“气体定律”。气体定律可以用气体分子的数量、体积、温度和压强等变量通过数学方法来表示。
17 世纪，英国化学家和物理学家罗伯特·波意耳（Robert Boyle，1627—1691）注意到空气可以被压缩。他将空气密封在管子里，做了一系列实验。在增大或减小压强时，他发现空气的体积发生了变化。他的实验表明，气体的压强和体积之间存在着数学关系。他将这种关系表述为：
潜水员潜得越深，受到的压力就越大。压力变大会迫使血液中的氮气溶解于身体组织中。如果他们快速上浮至水面，压力的突然变化就会导致氮气从溶解状态逸出，形成细小的气泡，这可能会导致一系列疾病甚至死亡。这就是潜水减压病。
P 1 V 1 = P 2 V ? 2
通过这个公式我们可以看出，气体的初始压强（ P 1 ）乘以初始体积（ V 1 ）等于气体的最终压强（ P 2 ）乘以它的最终体积（ V 2 ）。
这个公式表明，如果气体压强增大，那么它的体积就会减小。反过来，如果压强减小，体积就会增大。两个数值的变化方向是相反的，这被称为“反向关系”。
18 世纪，法国化学家、物理学家和航空学家雅克·查理（Jacques Charles，1746—1823）也对气体感兴趣。他主要研究了气体的温度和体积之间的关系。他设计了一个装置，用一个可移动的活塞将气体密封在容器里。他对容器进行加热或冷却，并测量活塞在温度变化时发生的位移。通过计算活塞的位移，他计算出了不同温度下的气体的体积。查理将这种关系表述为：
试试这个
萎缩的气球
1 吹气球。
2 把气球放进冰箱里冷冻30 分钟。
3 把气球从冰箱里拿出来。和刚放进冰箱时气球的大小相比，现在的气球是变大了还是变小了？
你认为随着温度升高，气球会发生什么变化？气球的大小会发生变化，因为随着温度的降低，气球内部气体分子的运动速度会变慢；而温度升高时，气体分子的运动速度会变快。
查理定律
为了研究气体加热后的体积变化，查理用可移动活塞做了相关的实验。在室温下，活塞保持在一定的高度。当加热容器时，气体分子获得能量，并开始对活塞施加压力，迫使它向上移动。停止加热后，气体失去能量并冷却，活塞开始下降。
科学词汇
压缩： 通过挤压或施加压力来缩小体积。
气体 ：可以扩散开来填满所有可用空间的物质（如空气）。
摩尔： 含有6.022×10 23 个原子或分子的物质的量。6.022×10 23 被称为“阿伏伽德罗常数”，12 克碳所包含的原子个数就是6.022×10 23 个，即1 摩尔。
体积 ：固体、液体或气体所占的空间。
V 1 / T 1 = V 2 / T 2
通过这个公式，我们可以看出，初始体积（ V 1 ）除以初始温度（ T 1 ）等于最终体积（ V 2 ）除以最终温度（ T 2 ）。
这个公式表明，如果气体的温度升高，那么气体的体积也会增大。反之，如果温度降低，体积也会减小。两个数值的变化方向相同，这种关系被称为“正向关系”。在萎缩的气球实验中，比较气球在放入冰柜之前和之后的情况，可以体现这种正向关系。
19世纪早期，意大利化学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗提出了气体粒子数量与体积之间简单而深刻的关系。这个关系表明，在相同的温度和压力下，相同体积的气体含有的粒子数量也相同。
后来，科学家们证明了阿伏伽德罗的假说是正确的。实验表明，1 摩尔任何气体在标准条件下的体积均是22.4 升。阿伏伽德罗定律用以下数学公式表示：
V 1 / n 1 = V 2 / n 2
这个公式表明，气体的初始体积（ V 1 ）除以初始摩尔数（ n 1 ）等于气体的最终体积（ V 2 ）除以最终摩尔数（ n 2 ）。更简单地说，如果气体的体积增加，气体的摩尔数也会成比例地增加。只有当气体的温度和压力在整个实验过程中保持不变时，这一定律才成立。由于体积增加，摩尔数也增加，所以该方程显示出正向关系。
气体的这三个定律都与描述气体的某些变量有关。这些气体定律可以组合成一个被称为“理想气体定律”的公式。这结合了每个公式中表示的比例。合起来，理想气体定律可表述为：
PV = nRT
这些变量中的4 个已经被详细描述过了，唯一新的是常数 R ，被称为“气体常数”。气体常数为8.314 J/（K·mol）。这是一个表征理想气体性质的普适常数。
化学家称这一定律为“理想气体定律”，因为它描述了理想气体在压强、体积、温度和物质的量等方面的行为。对化学家来说，理想气体是用动力学理论描述的气体。虽然理想气体并不存在，但它描述了真实气体在接近STP 的条件下的行为。在很低的温度下，气体的行为与理想气体不同。
气压以“标准大气压”为单位。用来测量气压的仪器是气压计。气压是由大气中气体的重力作用引起的。
气压随天气的变化而变化，也随着海拔的变化而变化。海拔越高，气压越低。每上升305 米，气压会下降约2.5 厘米汞柱；每上升8 米，气压会下降1 毫巴。在一架飞行在10600 米高空的喷气式飞机中，飞机外部的气压只有海平面气压的1/20。
气压随着海拔的升高而降低。在珠穆朗玛峰的山顶，大气非常稀薄，氧气含量很低，登山者随身携带氧气。此外，气压太低会使空气很难进入登山者的肺部，从而导致他们出现呼吸困难等症状。