Идеальный газ

Термодинамика
Thermodynamics navigation image.svg
Статья является частью одноименной серии.
Уравнение состояния
Идеальный газ
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
См. также «Физический портал»

Идеа́льный газ — абстрактная математическая модель газа, удобная для описания поведения реальных газов при не слишком больших давлениях и температурах.

В этой модели, во-первых, предполагается, что составляющие газ частицы не взаимодействуют друг с другом, то есть их размеры пренебрежимо малы, поэтому в объёме, занятом идеальным газом нет взаимных столкновений частиц. Частицы идеального газа претерпевают столкновения только со стенками сосуда.

Второе предположение, — между частицами газа нет дальнодействующего взаимодействия, например, электростатического или гравитационного.

Дополнительное условие упругих столкновений между молекулами и стенками сосуда в рамках молекулярно-кинетической теории приводит к термодинамике идеального газа .

В различных расширенных моделях идеального газа предполагается, что частицы имеют внутреннюю структуру и протяженные размеры, что можно представить частицы в виде эллипсоидов или сфер, соединённых упругими связями (например, двухатомные молекулы).

Представление частиц газа в виде многоатомных молекул приводит к возникновению дополнительных степеней свободы, что побуждает учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения частиц, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц[1].

Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с достаточной для практических расчётов точностью хорошо описывается моделью идеального газа.

В случае очень больших давлений требуется применение более точных уравнений состояния реальных газов, например, полуэмпирического уравнения Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами и их конечные размеры.

При очень высоких температурах молекулы реальных газов могут диссоциировать на составляющие их атомы, или атомы могут ионизироваться с отщеплением электронов. Поэтому в случаях высоких давлений и/или температур уравнения состояния идеального газа применимы только с некоторыми допущениями, либо неприменимы совсем.

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и подчиняются статистике Максвелла — Больцмана), квазиклассический идеальный газ[2] (для которого — в отличие от классического идеального газа — не выполняется закон равномерного распределения энергии по степеням свободы[3][4]) и квантовый идеальный газ (его свойства определяются законами квантовой механики и описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

Очень часто — в том числе и в данной статье, — когда различия между классическим и квазиклассическим приближениями не играют роли, термин «классический идеальный газ» рассматривают как синоним выражения «неквантовый идеальный газ». При макроскопическом подходе идеальными классическими и квазиклассическими газами называют гипотетические (реально не существующие) газы, подчиняющиеся термическому уравнению состояния Клапейрона[5][6] (Клапейрона — Менделеева[7][6]). Иногда дополнительно указывают, что для классического идеального газа справедлив закон Джоуля[8][9][10][11]. Термодинамика утверждает, что закон Джоуля выполняется для любого флюида с уравнением состояния вида , где  — давление,  — абсолютная температура и  — объём (см. [12][13]). Поэтому, давая дефиницию классическому идеальному газу, упоминать о законе Джоуля необязательно. С другой стороны, если рассматривать данный закон как обобщение экспериментальных данных, то изложение макроскопической теории классического идеального газа требует привлечения только самых элементарных сведений из термодинамики.

Популярность модели «идеальный газ» в учебных курсах термодинамики обусловлена тем обстоятельством, что результаты, получаемые с помощью уравнения Клапейрона, представляют собой не слишком сложные математические выражения и обычно допускают простой аналитический и/или графический анализ поведения входящих в них величин. Квазиклассическое приближение используют для вычисления термодинамических функций газов по их молекулярным данным[14][15].

Содержание

другие языки
العربية: غاز مثالي
asturianu: Gas ideal
беларуская: Ідэальны газ
беларуская (тарашкевіца)‎: Ідэальны газ
български: Идеален газ
català: Gas ideal
čeština: Ideální plyn
Deutsch: Ideales Gas
Ελληνικά: Ιδανικό αέριο
English: Ideal gas
Esperanto: Ideala gaso
español: Gas ideal
français: Gaz parfait
ગુજરાતી: આદર્શ વાયુ
हिन्दी: आदर्श गैस
hrvatski: Idealni plin
Bahasa Indonesia: Gas ideal
íslenska: Kjörgas
italiano: Gas ideale
日本語: 理想気体
қазақша: Идеал газ
한국어: 이상기체
latviešu: Ideāla gāze
македонски: Идеален гас
മലയാളം: ആദർശവാതകം
Bahasa Melayu: Gas unggul
Nederlands: Ideaal gas
norsk nynorsk: Ideell gass
Piemontèis: Gas ideal
português: Gás ideal
română: Gaz ideal
Scots: Ideal gas
srpskohrvatski / српскохрватски: Idealni gas
Simple English: Ideal gas
slovenčina: Ideálny plyn
slovenščina: Idealni plin
српски / srpski: Идеални гас
svenska: Ideal gas
Türkçe: İdeal gaz
українська: Ідеальний газ
oʻzbekcha/ўзбекча: Ideal gaz
Tiếng Việt: Khí lý tưởng
中文: 理想氣體
Bân-lâm-gú: Lí-sióng khì-thé
粵語: 理想氣體