Idealni gas je gas kod kojeg se mogu zanemariti međumolekulske sile i zapremina samih molekula gasa. Molekulsko kinetička teorija gasova povezuje pritisak, zapreminu i temperaturu gasa sa srednjom kinetičkom energijom molekula.
Idealni gas je gas kod kojeg se mogu zanemariti međumolekulske sile i zapremina samih molekula gasa. Osim toga, smatra se da su svi sudari molekula gasa elastični sudari, odnosno, da se ukupna kinetička energija molekula u toku sudara ne menja. Većina gasova se pri nižim pritiscima ponaša u skladu sa navedenim pretpostavkama. Prilikom proučavanja gasa ne može se pratiti ponašanje pojedinačnih molekula, već se proučavanje gasova svodi na praćenje srednjih vrednosti fizičkih veličina. Zadatak molekulsko – kinetičke teorije gasova je da poveže srednje vrednosti veličina, koje ispoljavaju molekuli, sa veličinama koje se mogu meriti, a koje važe za gas u celini. Veličine kojima se opisuju gasovi, a koje se mogu direktno meriti su: pritisak, zapremina i temperatura gasa.
Molekulsko – kinetička teorija gasova
Maxwell i Boltzmann su metodama statistike razvili teoriju distribucije, koja se između ostalog može primeniti i na raspodelu molekula po brzinama, odnosno kinetičkim energijama. Molekuli gasa se nalaze u neprekidnom kretanju, pri čemu tokom sudara razmenjuju kinetičke energije. Nakon svakog međusobnog sudara molekuli dobijaju neku drugu kinetičku energiju, pri čemu ukupna vrednost kinetičke energije ostaje nepromenjena. Maxwell i Boltzmann su utvrdili da je broj molekula gasa koji imaju neku kinetičku energiju, pri konstantnoj temperaturi manje-više konstantan tokom vremena. Grafik prikazuje raspodelu molekula gasa po energijama, za tri temperature.
Na osnovu ove raspodele izveden je izraz za srednju kinetičku energiju molekula gasa:
$$\overline{E_{k} } =\frac{3}{2}kT $$
gde je k Boltzmann-ova konstanta k=1,38· 10-23 [J/K]. Ovaj izraz daje fizički smisao temperaturi, koja se sada može interpretirati kao mera srednje kinetičke energije molekula. Ovakva interpretacija temperature upućuje na to da na temperaturi od 0 K prestaje svako kretanje molekula, jer je tada srednja kinetička energija molekula jednaka nuli. Temperaturna skala definisana na ovaj način naziva se Kelvinova skala, a nula Kelvina je apsolutna nula (teorijska temperatura), koja izražena u Celzijusovim stepenima iznosi -273,150 C.
Vrednost jednog podeoka Celzijusove skale jednaka je vrednosti jednog podeoka Kelvinove skale (10C = 1 K), ali su skale međusobno smaknute za 273,15 podeoka.
Jednačina idealnog gasnog stanja
Pritisak se u gasovima prenosi u svim smerovima i posledica je sudara molekula gasa sa zidovima suda.
Pritisak je po definiciji sila koja deluje na neku površinu $p=\frac{F}{S}$. Prema tome, ukoliko izračunamo silu kojom molekuli gasa deluju na klip u cilindru, izračunali smo i pritisak gasa. Pošto se molekuli gasa, zatvoreni u cilindru mogu slobodno kretati u 3 nezavisna pravca, u pravcu normalnom na klip se u svakom trenutku kreće 1/3 od ukupnog broja molekula. Prilikom udara o klip molekuli se odbijaju u istom pravcu ali suprotnom smeru, bez promene intenziteta brzine (elastični sudari). U video času je putem izvođenja pokazano da je sila kojom jedan molekul deluje na klip data izrazom:
$$ F=\frac{mv^{2} }{l} $$
Kada se ovako izražena sila zameni u izraz za pritisak ( $p=\frac{F}{S}$ ) i uvođenjem vrednosti za srednju kinetičku energiju ( $\overline{E_{k} } =\frac{3}{2}kT $ ) u izraz, dobijamo jednačinu:
$$p\cdot V=nRT $$
Kompletno izvođenje nalazi se u video času.
n je broj molova gasa, dok je R univerzalna gasna konstanta R=8.3145 J/mol·K.
Isti ovakav izraz je već ranije dobijen empirijskim putem, povezivanjem izmerenih vrednosti pritiska i temperature gasa i naziva se jednačina idealnog gasnog stanja. Molekulsko kinetička teorija je uspela da poveže ponašanje gasa u celini sa ponašanjem molekula tog gasa, čime je jednačini idealnog gasnog stanja dat dublji fizički smisao.