Che cos'è un gas ideale?
Un gas ideale è uno stato teorico della materia utilizzato dai fisici nell'analisi della teoria della probabilità. Il gas ideale è costituito da molecole che rimbalzano l'una dall'altra senza interagire affatto. Non ci sono forze di attrazione o repulsione tra le molecole e nessuna energia viene persa durante le collisioni. I gas ideali possono essere completamente descritti dal loro volume, densità e temperatura.
L'equazione di stato per un gas ideale, comunemente nota come legge del gas ideale, è PV = NkT. Nell'equazione, N è il numero di molecole e k è la costante di Boltzmann, che è pari a circa 1,4 x 10 -23 joule per kelvin. Ciò che di solito è più importante è che la pressione e il volume sono inversamente proporzionali e ciascuno è proporzionale alla temperatura. Ciò significa, ad esempio, che se la pressione viene raddoppiata mentre la temperatura viene mantenuta costante, il volume del gas deve dimezzarsi; se il volume del gas viene raddoppiato mentre la pressione viene mantenuta costante, anche la temperatura deve raddoppiare. Nella maggior parte degli esempi, il numero di molecole nel gas è considerato costante.
Certo, questa è solo un'approssimazione. Le collisioni tra molecole di gas non sono perfettamente elastiche, parte dell'energia viene persa ed esistono forze elettrostatiche tra le molecole di gas. Ma nella maggior parte delle situazioni quotidiane, la legge sui gas ideali si avvicina molto al comportamento reale dei gas. Anche se non viene utilizzato per eseguire calcoli, tenere a mente le relazioni tra pressione, volume e temperatura può aiutare uno scienziato a comprendere intuitivamente il comportamento di un gas.
La legge del gas ideale è spesso la prima equazione che le persone apprendono studiando gas in una lezione introduttiva di fisica o chimica. L'equazione di Van der Waal, che include alcune correzioni minori alle ipotesi di base della legge del gas ideale, è anche insegnata in molti corsi introduttivi. In pratica, tuttavia, la correzione è così piccola che se la legge del gas ideale non è abbastanza accurata per una data applicazione, l'equazione di Van der Waal non sarà neanche abbastanza buona.
Come nella maggior parte della termodinamica, si presume che anche il gas ideale sia in uno stato di equilibrio. Questa ipotesi è chiaramente falsa se la pressione, il volume o la temperatura stanno cambiando; se queste variabili cambiano lentamente, uno stato chiamato equilibrio quasi statico, l'errore può essere accettabilmente piccolo. Rinunciare al presupposto di un equilibrio quasi statico significa lasciare indietro la termodinamica per il mondo più complicato della fisica statistica.