Esittely
Ideaalikaasun laki on yksinkertainen yhtälö, joka osoittaa kaasujen lämpötilan, paineen ja tilavuuden välisen suhteen. Nämä erityiset suhteet ovat peräisin Charlesin laista, Boylen laista ja Gay-Lussacin laista. Charlesin laki määrittää tilavuuden ja lämpötilan suoran suhteellisuuden vakiopaineessa, Boylen laki määrittää paineen ja tilavuuden käänteisen suhteellisuuden vakiolämpötilassa ja Gay-Lussacin laki määrittää paineen ja lämpötilan suoran suhteellisuuden vakiotilavuudessa. Yhdistettynä nämä muodostavat ideaalikaasulain yhtälön: PV = NRT. P on paine, V on tilavuus, N on kaasumoolien lukumäärä, R on yleiskaasuvakio ja T on absoluuttinen lämpötila.
Yleiskaasuvakio R on luku, joka tyydyttää paineen, tilavuuden ja lämpötilan suhteen suhteellisuudet. R:llä on erilaisia arvoja ja yksiköitä, jotka riippuvat käyttäjän paine-, tilavuus-, mooli- ja lämpötilamäärityksistä. Erilaisia R-arvoja on online-tietokannoissa, tai käyttäjä voi käyttää dimensioanalyysia muunntaakseen havaitut paineen, tilavuuden, moolien ja lämpötilan yksiköt vastaamaan tunnettua R-arvoa. Kumpikin lähestymistapa on hyväksyttävä, kunhan yksiköt ovat johdonmukaisia. Ideaalikaasulain lämpötila-arvon on oltava absoluuttisissa yksiköissä (Rankine tai Kelvin ), jotta oikeanpuoleinen puoli ei olisi nolla, mikä rikkoo paineen, tilavuuden ja lämpötilan välistä suhdetta. Muunnos absoluuttisiin lämpötilayksiköihin on yksinkertainen lisäys joko Fahrenheitin (F) tai Celsiuksen (C) lämpötilaan: R-asteet = F + 459,67 ja K = C + 273,15.
Jotta kaasu olisi ”ideaalinen”, on olemassa neljä ohjaavaa oletusta:
-
Gasihiukkasilla on häviävän pieni tilavuus.
-
Gasihiukkaset ovat samankokoisia eikä niillä ole molekyylien välisiä voimia (vetovoimaa tai hylkimistä) muiden kaasuhiukkasten kanssa.
-
Kaasuhiukkaset liikkuvat satunnaisesti Newtonin liikesääntöjen mukaisesti.
-
Kaasuhiukkasilla on täydellisen kimmoisia törmäyksiä, joissa ei tapahdu energiahäviöitä.
Todellisuudessa ihanteellisia kaasuja ei ole. Jokaisella kaasuhiukkasella on systeemissä tilavuus (vähäinen määrä, mutta kuitenkin olemassa), mikä rikkoo ensimmäisen oletuksen. Lisäksi kaasuhiukkaset voivat olla erikokoisia; esimerkiksi vetykaasu on huomattavasti pienempi kuin ksenonkaasu. Systeemissä olevilla kaasuilla on molekyylien välisiä voimia viereisten kaasuhiukkasten kanssa, erityisesti alhaisissa lämpötiloissa, joissa hiukkaset eivät liiku nopeasti ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Vaikka kaasuhiukkaset voivat liikkua satunnaisesti, niillä ei ole täydellisiä elastisia törmäyksiä johtuen energian ja impulssin säilymisestä systeemissä.
Vaikka ideaalikaasut ovat puhtaasti teoreettinen käsitys, todelliset kaasut voivat käyttäytyä ihanteellisesti tietyissä olosuhteissa. Järjestelmät, joissa on joko hyvin alhaiset paineet tai korkeat lämpötilat, mahdollistavat sen, että todelliset kaasut voidaan arvioida ”ihanteellisiksi”. Systeemin alhainen paine mahdollistaa sen, että kaasuhiukkaset kokevat vähemmän molekyylien välisiä voimia muiden kaasuhiukkasten kanssa. Vastaavasti korkean lämpötilan järjestelmät mahdollistavat sen, että kaasuhiukkaset liikkuvat nopeasti järjestelmässä ja niillä on vähemmän molekyylien välisiä voimia toistensa kanssa. Siksi laskentatarkoituksia varten todellisia kaasuja voidaan pitää ”ihanteellisina” joko matalapaineisissa tai korkealämpötilaisissa järjestelmissä.
Ideaalikaasun laki pätee myös systeemissä, joka sisältää useita ideaalikaasuja; tätä kutsutaan ideaalikaasuseokseksi. Kun systeemissä on useita ideaalikaasuja, oletetaan edelleen, että näillä hiukkasilla ei ole mitään molekyylien välisiä vuorovaikutuksia keskenään. Ideaalikaasuseoksessa järjestelmän kokonaispaine jakautuu kunkin eri kaasuhiukkasen osapaineisiin. Tämä mahdollistaa sen, että edellinen ideaalikaasun yhtälö voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti: Pi-V = ni-R-T. Tässä yhtälössä Pi on lajin i osapaine ja ni ovat lajin i mooleja. Matalassa paineessa tai korkeassa lämpötilassa kaasuseoksia voidaan laskennan helpottamiseksi pitää ideaalisina kaasuseoksina.
Kun systeemit eivät ole matalassa paineessa tai korkeassa lämpötilassa, kaasuhiukkaset pystyvät olemaan vuorovaikutuksessa toistensa kanssa; nämä vuorovaikutussuhteet heikentävät suuresti ideaalikaasun lain tarkkuutta. On kuitenkin olemassa muita malleja, kuten Van der Waalsin tilanyhtälö, jotka ottavat huomioon kaasuhiukkasten tilavuuden ja molekyylien väliset vuorovaikutukset. Ihannekaasulakia pidemmälle menevä keskustelu ei kuulu tähän artikkeliin.