Úvod
Zákon ideálního plynu je jednoduchá rovnice znázorňující vztah mezi teplotou, tlakem a objemem plynů. Tyto konkrétní vztahy vycházejí z Charlesova zákona, Boyleova zákona a Gay-Lussacova zákona. Charlesův zákon určuje přímou úměrnost mezi objemem a teplotou při konstantním tlaku, Boylův zákon určuje inverzní úměrnost tlaku a objemu při konstantní teplotě a Gay-Lussacův zákon určuje přímou úměrnost tlaku a teploty při konstantním objemu. Dohromady tvoří rovnici zákona ideálního plynu: PV = NRT. P je tlak, V je objem, N je počet molů plynu, R je univerzální plynová konstanta a T je absolutní teplota.
Univerzální plynová konstanta R je číslo, které splňuje úměrnosti vztahu tlak-objem-teplota. R má různé hodnoty a jednotky, které závisí na uživatelských specifikacích tlaku, objemu, molů a teploty. Různé hodnoty R jsou k dispozici v online databázích nebo může uživatel použít rozměrovou analýzu k převodu zjištěných jednotek tlaku, objemu, molů a teploty tak, aby odpovídaly známé hodnotě R. Pokud jsou jednotky konzistentní, je přijatelný každý z těchto přístupů. Hodnota teploty v ideálním plynovém zákoně musí být v absolutních jednotkách (Rankin nebo Kelvin ), aby pravá strana nebyla nulová, což porušuje vztah tlak-objem-teplota. Převod na absolutní jednotky teploty je jednoduchým doplněním buď Fahrenheitovy (F), nebo Celsiovy (C) teploty: Stupně R = F + 459,67 a K = C + 273,15.
Pro to, aby byl plyn „ideální“, platí čtyři rozhodující předpoklady:
-
Částice plynu mají zanedbatelný objem.
-
Částice plynu jsou stejně velké a nepůsobí na ně mezimolekulární síly (přitažlivé nebo odpudivé) s jinými částicemi plynu.
-
Částice plynu se pohybují náhodně v souladu s Newtonovými pohybovými zákony.
-
Částice plynu mají dokonale pružné srážky bez ztrát energie.
V realitě neexistují ideální plyny. Každá částice plynu má v systému objem (nepatrný, ale přesto přítomný), což porušuje první předpoklad. Navíc částice plynu mohou mít různou velikost; například plynný vodík je podstatně menší než plynný xenon. Plyny v systému působí mezimolekulárními silami se sousedními částicemi plynu, zejména při nízkých teplotách, kdy se částice nepohybují rychle a vzájemně na sebe působí. Přestože se částice plynu mohou pohybovat náhodně, nedochází u nich k dokonalým pružným srážkám v důsledku zachování energie a hybnosti v systému.
Ačkoli ideální plyny jsou striktně teoretickou představou, skutečné plyny se za určitých podmínek mohou chovat ideálně. Systémy, které mají buď velmi nízké tlaky, nebo vysoké teploty, umožňují reálné plyny hodnotit jako „ideální“. Nízký tlak soustavy umožňuje, aby na částice plynu působilo méně mezimolekulárních sil s ostatními částicemi plynu. Podobně systémy s vysokou teplotou umožňují částicím plynu rychlý pohyb v systému a vykazují méně vzájemných mezimolekulárních sil. Proto lze pro účely výpočtu považovat skutečné plyny za „ideální“ buď v soustavách s nízkým tlakem, nebo s vysokou teplotou.
Zákon ideálního plynu platí také pro soustavu obsahující více ideálních plynů; tato soustava se nazývá směs ideálních plynů. U více ideálních plynů v systému se stále předpokládá, že tyto částice mezi sebou nemají žádné mezimolekulární interakce. Směs ideálních plynů rozděluje celkový tlak systému na příspěvky parciálních tlaků jednotlivých částic plynu. To umožňuje přepsat předchozí rovnici pro ideální plyn takto: Pi-V = ni-R-T. V této rovnici je Pi parciální tlak druhu i a ni jsou moly druhu i. Při nízkém tlaku nebo vysoké teplotě lze směsi plynů považovat za směsi ideálních plynů, což usnadňuje výpočet.
Když se soustavy nenacházejí při nízkých tlacích nebo vysokých teplotách, částice plynů na sebe mohou vzájemně působit; tyto interakce značně omezují přesnost zákona ideálního plynu. Existují však jiné modely, například Van der Waalsova stavová rovnice, které zohledňují objem částic plynu a mezimolekulární interakce. Diskuse nad rámec zákona ideálního plynu je mimo rámec tohoto článku.