Qu'est-ce qu'un gaz idéal?
Un gaz idéal est un état de la matière théorique utilisé par les physiciens dans l'analyse de la théorie des probabilités. Le gaz idéal est constitué de molécules qui rebondissent les unes sur les autres sans interagir autrement. Il n'y a pas de forces d'attraction ou de répulsion entre les molécules et aucune énergie n'est perdue lors des collisions. Les gaz idéaux peuvent être complètement décrits par leur volume, leur densité et leur température.
L'équation d'état pour un gaz idéal, communément appelée loi des gaz parfaits, est PV = NkT. Dans l'équation, N est le nombre de molécules et k est la constante de Boltzmann, qui est égale à environ 1,4 x 10 -23 joules par kelvin. Ce qui est généralement plus important, c’est que la pression et le volume soient inversement proportionnels, chacun étant proportionnel à la température. Cela signifie, par exemple, que si la pression est doublée alors que la température est maintenue constante, le volume du gaz doit être divisé par deux; si le volume du gaz est doublé alors que la pression est maintenue constante, la température doit également doubler. Dans la plupart des exemples, le nombre de molécules dans le gaz est considéré comme constant.
Bien sûr, ce n’est qu’une approximation. Les collisions entre les molécules de gaz ne sont pas parfaitement élastiques, une partie de l'énergie est perdue et des forces électrostatiques existent entre les molécules de gaz. Mais dans la plupart des situations de tous les jours, la loi des gaz parfaits se rapproche beaucoup du comportement réel des gaz. Même s'il n'est pas utilisé pour effectuer des calculs, garder à l'esprit les relations entre pression, volume et température peut aider un scientifique à comprendre le comportement d'un gaz de manière intuitive.
La loi des gaz parfaits est souvent la première équation que les gens apprennent lors de l’étude des gaz dans un cours d’introduction à la physique ou à la chimie. L'équation de Van der Waal, qui comprend quelques corrections mineures aux hypothèses de base de la loi des gaz parfaits, est également enseignée dans de nombreux cours d'introduction. En pratique, toutefois, la correction est si faible que si la loi des gaz parfaits n’est pas assez précise pour une application donnée, l’équation de Van der Waal ne sera pas assez bonne non plus.
Comme dans la plupart des domaines de la thermodynamique, le gaz idéal est également supposé être à l’état d’équilibre. Cette hypothèse est clairement fausse si la pression, le volume ou la température change; Si ces variables changent lentement, un état appelé équilibre quasi statique, l'erreur peut toutefois être acceptable. Abandonner l'hypothèse d'un équilibre quasi statique signifie laisser la thermodynamique au monde plus complexe de la physique statistique.