分压计算器

分压计算器用于求出混合气体中某一种气体所贡献的压力。它使用道尔顿定律：输入总压力和每种气体的摩尔分数，工具就会返回每种气体所占的压力。

什么是分压？

空气等混合气体包含几种密封在同一空间内的不同气体。每种气体都会像单独存在时一样推动容器壁。某一种气体产生的推力称为该气体的分压。

英国化学家约翰·道尔顿在1801年描述了这一现象。他的规则现称为道尔顿分压定律，指出混合气体的总压力等于各气体单独存在时所产生的压力之和：

$P_{total} = P_1 + P_2 + P_3 + \dots + P_n$

这一规律适用于理想气体，即气体分子之间不相互吸引或作用的简化模型。在日常压力下，空气的行为与该模型足够接近，因此使用这一规律可以得到准确结果。

分压公式

某种气体的分压等于其摩尔分数乘以总压力：

$P_i = X_i \times P_{total}$

• $P_i$ 是气体 $i$ 的分压。
• $X_i$ 是气体 $i$ 的摩尔分数，取值介于 0 和 1 之间。
• $P_{total}$ 是混合气体的总压力。

摩尔分数是属于某一种气体的气体粒子数占全部气体粒子数的比例：

$X_i = \frac{n_i}{n_{total}}$

其中，$n_i$ 是气体 $i$ 的物质的量，$n_{total}$ 是混合气体中所有气体的物质的量之和。由于每个气体粒子都属于某个组分，混合气体中所有摩尔分数之和必须为1。

如何计算分压：示例

假设一个密封罐中装有总压力为2个大气压（atm）的混合气体，其组成为：

• 氧气（O₂）：摩尔分数0.21
• 氮气（N₂）：摩尔分数0.78
• 二氧化碳（CO₂）：摩尔分数0.01

将每种气体的摩尔分数乘以总压力：

1. 氧气：$0.21 \times 2 = 0.42$ atm
2. 氮气：$0.78 \times 2 = 1.56$ atm
3. 二氧化碳：$0.01 \times 2 = 0.02$ atm

作为校验，三个分压之和应恢复为总压力：$0.42 + 1.56 + 0.02 = 2.00$ atm。

这在实际应用中很重要。在高压氧疗法中，医生会提高患者呼吸气体的总压力，从而提高氧分压，即使混合气体中的氧气百分比保持不变。更高的氧分压会促使更多氧气进入血液。

如何使用分压计算器

1. 输入混合气体的总压力，并选择其单位：大气压（atm）、千帕（kPa）或毫米汞柱（mmHg）。
2. 为每种气体命名并输入其摩尔分数。选择“Add Component”可添加另一种气体，选择某一行中的“Clear”可删除该气体。摩尔分数必须介于0和1之间，并且所有组分的摩尔分数之和必须为1，允许存在小幅舍入误差。
3. 输入有效后，结果会立即显示，无需单独执行计算步骤。每种气体都有自己的结果卡片，数值精确到小数点后四位；下方的条形图显示总压力如何分配到各​​种气体。
4. 选择“Copy Results”可将数值复制为纯文本，用于实验报告或电子表格。

页面打开时会显示一个示例混合气体：压力为1 atm 的干燥空气，其中氧气为0.21、氮气为0.79。选择“Reset”即可恢复该示例。

计算器会在显示结果前检查输入。如果总压力为空、为零或为负数，某个组分缺少名称，或摩尔分数之和不等于1，计算器就会标记错误。

压力单位

单位选择器只会标示数值的单位，不会进行换算。分压的单位与输入的总压力单位相同。输入760并选择 mmHg，结果单位就是 mmHg。输入1并选择 atm，结果单位就是 atm。之后更改选择器只会重新标示结果的单位，不会重新缩放数值。

道尔顿定律适用于任何压力单位，因此只要输入的总压力使用所需的结果单位，就不需要换算。三种单位之间的手动换算如下：

• 1 atm = 101.325 kPa
• 1 atm = 760 mmHg
• 1 kPa = 7.5006 mmHg

化学课程通常使用大气压。医学领域倾向于用 mmHg 报告血气值。工程领域通常使用 kPa。该计算器不提供 bar 或 psi。

分压的应用领域

呼吸生理学。 氧气从肺部进入血液，二氧化碳则向相反方向移动，这是由分压差而非总压力造成的。肺部空气中的氧分压通常约为100 mmHg，而从身体各处返回的血液携带的氧分压较低，因此氧气会沿着这一梯度流入血液。

化学工程。 气相过程（如氨合成）中的反应速率取决于反应气体的分压，而不仅仅是系统的总压力。蒸馏塔和气体分离设备的设计人员也会直接使用分压。

环境科学。 目前大气中的二氧化碳含量已超过420 ppm，并且仍在上升。其分压虽然很小，却推动了很大一部分与该气体相关的额外变暖。湖泊和河流中的溶解氧同样取决于水面上方空气中的氧分压，这种关系称为亨利定律。

道尔顿定律何时不太适用

道尔顿定律假设气体分子之间不会相互作用。在高压或低温条件下，分子排列得足够紧密，分子间作用力变得不可忽略，这一假设就会失效。例如，高压天然气处理通常需要使用一种称为逸度的更高级物理量来替代简单的分压。道尔顿定律也不能描述液体的蒸气压，因为蒸气压取决于温度和物质本身，而不是气体混合物中的摩尔分数。

常见问题

什么是道尔顿分压定律？ 该定律指出，在彼此不发生反应的混合气体中，总压力等于各气体在相同温度下单独充满容器时所产生的压力之和。

如何计算某种气体的分压？ 将该气体的摩尔分数乘以混合气体的总压力：$P_i = X_i \times P_{total}$。例如，在总压力为4 atm 的混合气体中，某气体的摩尔分数为0.30，其分压为$0.30 \times 4 = 1.2$ atm。

为什么摩尔分数之和必须为1？ 摩尔分数表示某一组分占全部气体粒子的比例。由于每个粒子都属于某个组分，这些比例必须涵盖整个混合气体，因此总和恰好为1。

分压能否大于总压力？ 不能。摩尔分数不能超过1，因此某种气体所占的压力不可能超过总压力。如果计算器报告摩尔分数之和大于1，可能是将百分数而不是小数输入了，例如输入21而不是0.21。

计算器支持哪些压力单位？ 大气压（atm）、千帕（kPa）和毫米汞柱（mmHg）。选择器只会标示输入和返回数值的单位，不会在单位之间进行换算，也不提供 bar 或 psi。

分压与蒸气压有什么区别？ 分压是混合气体中某一种气体所占的总压力份额，取决于摩尔分数。蒸气压是纯物质的蒸气与自身液体或固体达到平衡时产生的压力，只取决于温度。

历史

约翰·道尔顿在1801年提出分压定律，并在其1808年出版的著作《化学哲学新体系》中发表了这一理论。他的工作与其他早期气体定律同时出现，包括描述压力与体积关系的玻意耳定律（1662），以及描述体积与温度关系的查理定律（1787）。这些思想与阿伏伽德罗定律（1811）共同促成了理想气体定律$PV = nRT$，该定律至今仍是大多数日常气体计算的基础。