Wat is een ideaal gas?

Een ideaal gas is een theoretische materietoestand die door natuurkundigen wordt gebruikt in de waarschijnlijkheidstheorieanalyse. Ideaal gas bestaat uit moleculen die van elkaar stuiteren zonder iets anders te doen. Er zijn geen aantrekkingskrachten of afstoting tussen de moleculen en er gaat geen energie verloren tijdens de botsingen. Ideale gassen kunnen volledig worden beschreven door hun volume, dichtheid en temperatuur.

De toestandsvergelijking voor een ideaal gas, beter bekend als de ideale gaswet, is PV = NkT. In de vergelijking is N het aantal moleculen en is k de constante van Boltzmann, die gelijk is aan ongeveer 1,4 x ^10-23 joules per Kelvin. Wat meestal belangrijker is, is dat druk en volume omgekeerd evenredig zijn en elk evenredig is met de temperatuur. Dit betekent bijvoorbeeld dat als de druk wordt verdubbeld terwijl de temperatuur constant wordt gehouden, het volume van het gas moet halveren; als het volume van het gas wordt verdubbeld terwijl de druk constant wordt gehouden, moet de temperatuur ook verdubbelen. In de meeste voorbeelden wordt het aantal moleculen in het gas als constant beschouwd.

Natuurlijk is dit slechts een benadering. Botsingen tussen gasmoleculen zijn niet perfect elastisch, er gaat wat energie verloren en er bestaan ​​wel elektrostatische krachten tussen gasmoleculen. Maar in de meeste dagelijkse situaties komt de ideale gaswet nauw overeen met het feitelijke gedrag van gassen. Zelfs als het niet wordt gebruikt voor het uitvoeren van berekeningen, kan het houden van de relaties tussen druk, volume en temperatuur een wetenschapper helpen om het gedrag van een gas intuïtief te begrijpen.

De ideale gaswet is vaak de eerste vergelijking die mensen leren bij het bestuderen van gassen in een inleidende fysica of scheikunde. De vergelijking van Van der Waal, die een paar kleine correcties op de basisaannames van de ideale gaswet bevat, wordt ook in veel inleidende cursussen onderwezen. In de praktijk is de correctie echter zo klein dat als de ideale gaswet niet nauwkeurig genoeg is voor een bepaalde toepassing, de vergelijking van Van der Waal ook niet goed genoeg is.

Zoals bij de meeste thermodynamica, wordt ook van ideaal gas gedacht dat het in evenwicht is. Deze veronderstelling is duidelijk onjuist als de druk, het volume of de temperatuur verandert; als deze variabelen langzaam veranderen, een toestand die quasi statisch evenwicht wordt genoemd, kan de fout echter acceptabel klein zijn. Het opgeven van quasi statisch evenwicht betekent het achterlaten van thermodynamica voor de meer gecompliceerde wereld van statistische fysica.