Was ist ein ideales Gas?
Ein ideales Gas ist ein theoretischer Materiezustand, der von Physikern in der Wahrscheinlichkeitsanalyse verwendet wird. Ideales Gas besteht aus Molekülen, die voneinander abprallen, ohne ansonsten überhaupt zu interagieren. Es gibt keine Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen den Molekülen, und während der Kollisionen geht keine Energie verloren. Ideale Gase können vollständig durch ihr Volumen, ihre Dichte und ihre Temperatur beschrieben werden.
Die Zustandsgleichung für ein ideales Gas, allgemein als ideales Gasgesetz bekannt, lautet PV = NkT. In der Gleichung ist N die Anzahl der Moleküle und k ist die Boltzmann-Konstante, die ungefähr 1,4 · 10 & supmin; ³ Joule pro Kelvin entspricht. Wichtiger ist in der Regel, dass Druck und Volumen umgekehrt proportional und proportional zur Temperatur sind. Dies bedeutet zum Beispiel, dass sich das Gasvolumen halbieren muss, wenn der Druck verdoppelt wird, während die Temperatur konstant gehalten wird. Wird das Volumen des Gases bei konstantem Druck verdoppelt, muss sich auch die Temperatur verdoppeln. In den meisten Beispielen wird die Anzahl der Moleküle im Gas als konstant angesehen.
Dies ist natürlich nur eine Annäherung. Kollisionen zwischen Gasmolekülen sind nicht perfekt elastisch, es geht etwas Energie verloren und es gibt elektrostatische Kräfte zwischen Gasmolekülen. In den meisten alltäglichen Situationen kommt das ideale Gasgesetz dem tatsächlichen Verhalten von Gasen jedoch sehr nahe. Auch wenn es nicht für die Durchführung von Berechnungen verwendet wird, kann die Berücksichtigung der Beziehungen zwischen Druck, Volumen und Temperatur einen Wissenschaftler dabei unterstützen, das Verhalten eines Gases intuitiv zu verstehen.
Das ideale Gasgesetz ist oft die erste Gleichung, die Menschen lernen, wenn sie Gase in einem einführenden Physik- oder Chemieunterricht studieren. Die Van-der-Waal-Gleichung, die einige geringfügige Korrekturen an den Grundannahmen des idealen Gasgesetzes enthält, wird auch in vielen Einführungskursen gelehrt. In der Praxis ist die Korrektur jedoch so gering, dass die Van-der-Waal-Gleichung auch nicht gut genug ist, wenn das ideale Gasgesetz für eine bestimmte Anwendung nicht genau genug ist.
Wie in den meisten Bereichen der Thermodynamik wird auch bei idealen Gasen ein Gleichgewichtszustand angenommen. Diese Annahme ist eindeutig falsch, wenn sich Druck, Volumen oder Temperatur ändern. Wenn sich diese Variablen langsam ändern, ein Zustand, der als quasi statisches Gleichgewicht bezeichnet wird, kann der Fehler jedoch akzeptabel klein sein. Die Annahme eines quasi statischen Gleichgewichts aufzugeben bedeutet, die Thermodynamik für die kompliziertere Welt der statistischen Physik hinter sich zu lassen.