理想气体是物理学家在概率论分析中使用的一种理论物质状态。理想气体是由分子组成的,它们相互反弹而没有其他任何互动。分子之间没有吸引力或排斥力,在碰撞过程中也没有能量损失。理想气体可以完全由其体积、密度和温度来描述
。
理想气体的状态方程,通常被称为理想气体定律,是PV = NkT。在该方程式中,N是分子数,k是玻尔兹曼常数,约等于每开尔文1.4×10-23焦耳。通常更重要的是,压力和体积是成反比的,并且各自与温度成正比。这意味着,例如,如果压力增加一倍而温度保持不变,那么气体的体积必须减半;如果气体的体积增加一倍而压力保持不变,温度也必须增加一倍。在大多数例子中,气体中的分子数被认为是不变的。
当然,这只是一个近似值。气体分子之间的碰撞并不是完全有弹性的,会损失一些能量,而且气体分子之间的静电力确实存在。但在大多数日常情况下,理想气体定律近似于气体的实际行为。即使不用于进行计算,牢记压力、体积和温度之间的关系也能帮助科学家直观地了解气体的行为。
理想气体定律通常是人们在物理或化学入门课上学习气体时学习的第一个方程式。范德瓦耳方程,包括对理想气体定律基本假设的一些小的修正,也在许多入门课程中被教授。然而,在实践中,修正是如此之小,以至于如果理想气体定律在特定的应用中不够准确,那么范德瓦耳方程也不会很好。
与大多数热力学一样,理想气体也被假设为处于平衡状态。如果压力、体积或温度在变化,这个假设显然是错误的;如果这些变量变化缓慢,这种状态称为准静态平衡,那么误差可能是可以接受的小。放弃准静态平衡的假设意味着将热力学抛在脑后,进入更复杂的统计物理学世界。
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