Ідеальний газ
Ідеальний газ у фізиці – це газ, у якому взаємодії молекул розглядаються з погляду їх парних зіткнень, при цьому час зіткнення набагато менший за час між зіткненнями.
Для наочності розуміння ідеального газу можна провести аналогію з грою на більярді, де кулі виконують роль молекул. Однак, у природі існують реальні гази (наприклад, гелій), використовуючи які фізики можуть із задовільною точністю описувати ідеальні процеси термодинаміки.
Опис поведінки реальних газів у природі можна пов’язати з допомогою таких понять, як температура, тиск, обсяг, моль.
Закон ідеального газу
Експериментально доведено, що при постійному обсязі температура та тиск газу підвищуються (знижуються) лінійно (тиск газу прямо пропорційний його температурі). У разі зміни обсягу газу тиск у ньому змінюватиметься назад пропорційно (що більший обсяг, тим нижчий тиск, і навпаки).
При постійних температурі та об’ємі ідеального газу його тиск прямо пропорційно кількості молей газу n:
Якщо додати до формули універсальну газову постійну R=8,31 Дж/(моль·К), ми зв’яжемо тиск, об’єм, кількість молей і температуру:
Ця формула називається законом ідеального газу.
Використовуючи число Авогадро NA і загальну кількість молекул N, можна видозмінити закон ідеального газу наступним чином:
k = R/NA = 1,38·10-23 Дж/К – постійна Больцмана.
Застосовуючи закон ідеального газу, і знаючи його кількість, температуру, займаний обсяг, можна передбачити тиск газу.
У фізиці під нормальними умовами прийнято вважати такі умови:
- T = 0°C
- P = 1,013·105 Па (1 атмосфера).
Підставивши дані у формулу закону ідеального газу, отримаємо, що за нормальних умов 1 моль ідеального газу займає об’єм 2,24136·10-2 м-3.
Різні трактовки закону ідеального газу
Закон Бойля-Маріотта говорить – при постійній температурі та масі ідеального газу добуток його тиску та обсягу – це постійна величина (за інших постійних умов добуток PV буде незмінним).
Закон Шарля говорить – тиск маси ідеального газу при постійному обсязі прямо пропорційний до абсолютної температури (за інших постійних умов відношення V/T буде незмінним).
Закон Гей-Люссака говорить – при постійному тиску обсяг постійної маси газу пропорційний до абсолютної температури (за інших постійних умов відношення P/T буде незмінним).
Використовуючи різні інтерпретації закону ідеального газу, можна, наприклад, обчислити середню кінетичну енергію кожної окремої молекули газу.
Припустимо, що температура навколишнього повітря дорівнює 27°C (300 К). Середня кінетична енергія молекул, що знаходяться в повітрі, дорівнюватиме:
З іншого боку:
Звідси, швидкість окремо взятої молекули дорівнюватиме:
Оскільки атмосферне повітря на 78% складається з молекул азоту, що мають масу 4,65·10-26 кг, можна обчислити їх швидкість:
