Что такое идеальный газ?

Идеальный газ - это состояние теоретической материи, используемое физиками при анализе теории вероятностей. Идеальный газ состоит из молекул, которые отскакивают друг от друга, не взаимодействуя вообще. Между молекулами нет сил притяжения или отталкивания, и энергия не теряется во время столкновений. Идеальные газы могут быть полностью описаны их объемом, плотностью и температурой.

Уравнение состояния для идеального газа, обычно известное как закон идеального газа, имеет вид PV = NkT. В уравнении N - число молекул, а k - постоянная Больцмана, которая равна примерно 1,4 х 10 ^-23 джоулей на кельвин. Что обычно более важно, так это то, что давление и объем обратно пропорциональны, а каждое пропорционально температуре. Это означает, например, что если давление удваивается, а температура поддерживается постоянной, то объем газа должен уменьшиться вдвое; если объем газа удваивается, а давление поддерживается постоянным, температура также должна удваиваться. В большинстве примеров число молекул в газе считается постоянным.

Конечно, это только приближение. Столкновения между молекулами газа не являются абсолютно упругими, некоторая энергия теряется, и электростатические силы между молекулами газа существуют. Но в большинстве повседневных ситуаций закон идеального газа близко приближается к реальному поведению газов. Даже если он не используется для выполнения расчетов, помня о взаимосвязи между давлением, объемом и температурой, можно помочь ученому интуитивно понять поведение газа.

Закон идеального газа часто является первым уравнением, которое люди изучают, изучая газы на начальных уроках физики или химии. Уравнение Ван-дер-Ваала, которое включает в себя несколько незначительных поправок к основным положениям закона идеального газа, также преподается во многих вводных курсах. На практике, однако, поправка настолько мала, что если закон идеального газа не является достаточно точным для данного приложения, уравнение Ван-дер-Ваала также не будет достаточно хорошим.

Как и в большинстве случаев термодинамики, идеальный газ также находится в состоянии равновесия. Это предположение явно неверно, если давление, объем или температура изменяются; если эти переменные изменяются медленно, состояние называется квазистатическим равновесием, однако ошибка может быть приемлемо мала. Отказ от предположения о квазистатическом равновесии означает отказ от термодинамики для более сложного мира статистической физики.