Co to jest gaz idealny?
Gaz idealny jest teoretycznym stanem materii stosowanym przez fizyków w analizie teorii prawdopodobieństwa. Idealny gaz składa się z cząsteczek, które odbijają się od siebie bez interakcji. Między cząsteczkami nie ma sił przyciągania ani odpychania, a podczas zderzeń energia nie jest tracona. Gazy idealne można całkowicie opisać ich objętością, gęstością i temperaturą.
Równanie stanu gazu doskonałego, powszechnie znane jako prawo gazu doskonałego, to PV = NkT. W równaniu N jest liczbą cząsteczek, a k jest stałą Boltzmanna, która jest równa około 1,4 x 10-23 dżuli na kelwin. Co zwykle ważniejsze jest to, że ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne, a każde z nich jest proporcjonalne do temperatury. Oznacza to na przykład, że jeśli ciśnienie zostanie podwojone, a temperatura będzie utrzymywana na stałym poziomie, wówczas objętość gazu musi się zmniejszyć o połowę; jeżeli objętość gazu jest podwojona, a ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie, temperatura musi się podwoić. W większości przykładów liczbę cząsteczek w gazie uważa się za stałą.
Oczywiście jest to tylko przybliżenie. Zderzenia między cząsteczkami gazu nie są idealnie elastyczne, część energii jest tracona, a siły elektrostatyczne między cząsteczkami gazu istnieją. Ale w większości codziennych sytuacji prawo gazu doskonałego jest zbliżone do faktycznego zachowania gazów. Nawet jeśli nie jest on wykorzystywany do wykonywania obliczeń, pamiętanie o zależnościach między ciśnieniem, objętością i temperaturą może pomóc naukowcowi w intuicyjnym zrozumieniu zachowania gazu.
Prawo gazu doskonałego jest często pierwszym równaniem, którego uczą się ludzie, badając gazy na wprowadzających lekcjach fizyki lub chemii. Równanie Van der Waala, które zawiera kilka drobnych poprawek do podstawowych założeń prawa gazu doskonałego, jest również nauczane na wielu kursach wprowadzających. W praktyce jednak korekcja jest tak mała, że jeśli prawo gazu doskonałego nie jest wystarczająco dokładne dla danego zastosowania, równanie Van der Waala również nie będzie wystarczająco dobre.
Jak w większości termodynamiki, zakłada się, że gaz idealny znajduje się w stanie równowagi. To założenie jest oczywiście fałszywe, jeśli zmienia się ciśnienie, objętość lub temperatura; jeśli zmienne te zmieniają się powoli, stan zwany równowagą quasi-statyczną, błąd może być jednak akceptowalnie mały. Rezygnacja z założenia quasi-statycznej równowagi oznacza pozostawienie termodynamiki w tyle w bardziej skomplikowanym świecie fizyki statystycznej.