Introduktion

Den ideala gaslagen är en enkel ekvation som visar förhållandet mellan temperatur, tryck och volym för gaser. Dessa specifika förhållanden härrör från Charles lag, Boyles lag och Gay-Lussacs lag. Charles lag anger den direkta proportionaliteten mellan volym och temperatur vid konstant tryck, Boyles lag anger den omvända proportionaliteten mellan tryck och volym vid konstant temperatur och Gay-Lussacs lag anger den direkta proportionaliteten mellan tryck och temperatur vid konstant volym. Tillsammans bildar dessa ekvationer den ideala gaslagen: PV = NRT. P är trycket, V är volymen, N är antalet mol av gasen, R är den universella gaskonstanten och T är den absoluta temperaturen.

Den universella gaskonstanten R är ett tal som uppfyller proportionaliteterna i förhållandet tryck-volym-temperatur. R har olika värden och enheter som beror på användarens specifikationer för tryck, volym, mol och temperatur. Olika värden för R finns i databaser på nätet, eller så kan användaren använda dimensionsanalys för att omvandla de observerade enheterna för tryck, volym, mol och temperatur så att de stämmer överens med ett känt R-värde. Så länge enheterna är konsekventa är båda tillvägagångssätten godtagbara. Temperaturvärdet i den ideala gaslagen måste vara i absoluta enheter (Rankine eller Kelvin ) för att förhindra att den högra sidan blir noll, vilket bryter mot förhållandet tryck-volym-temperatur. Omvandlingen till absoluta temperaturenheter är ett enkelt tillägg till antingen Fahrenheit (F) eller Celsius (C) temperaturen: Grader R = F + 459,67 och K = C + 273,15.

För att en gas ska vara ”ideal” finns det fyra styrande antaganden:

1. Gaspartiklarna har försumbar volym.
2. Gaspartiklarna är lika stora och har inga intermolekylära krafter (attraktion eller repulsion) med andra gaspartiklar.
3. Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt i enlighet med Newtons rörelselagar.
4. Gaspartiklarna har perfekta elastiska kollisioner utan energiförlust.

I verkligheten finns det inga ideala gaser. Varje gaspartikel har en volym inom systemet (en mycket liten mängd, men ändå närvarande), vilket strider mot det första antagandet. Dessutom kan gaspartiklar vara olika stora; till exempel är vätgas betydligt mindre än xenongas. Gaser i ett system har intermolekylära krafter med angränsande gaspartiklar, särskilt vid låga temperaturer där partiklarna inte rör sig snabbt och interagerar med varandra. Även om gaspartiklar kan röra sig slumpmässigt har de inte perfekta elastiska kollisioner på grund av bevarandet av energi och rörelsemängd inom systemet.

Samtidigt som ideala gaser är en strikt teoretisk föreställning kan verkliga gaser bete sig idealt under vissa förhållanden. System som antingen har mycket låga tryck eller höga temperaturer gör att verkliga gaser kan uppskattas som ”idealiska”. Det låga trycket i ett system gör att gaspartiklarna upplever mindre intermolekylära krafter med andra gaspartiklar. På samma sätt gör system med hög temperatur det möjligt för gaspartiklarna att röra sig snabbt i systemet och uppvisa mindre intermolekylära krafter med varandra. För beräkningsändamål kan därför verkliga gaser betraktas som ”ideala” i antingen lågtrycks- eller högtemperatursystem.

Lagen om ideala gaser gäller också för ett system som innehåller flera ideala gaser; detta är känt som en idealisk gasblandning. Med flera ideala gaser i ett system antas dessa partiklar fortfarande inte ha några intermolekylära interaktioner med varandra. I en idealgasblandning delas systemets totala tryck upp i de olika gaspartiklarnas partialtrycksbidrag. Detta gör det möjligt att skriva om den tidigare ekvationen för ideala gaser till följande: Pi-V = ni-R-T. I denna ekvation är Pi partialtrycket för art i och ni är mol av art i. Vid låga tryck eller höga temperaturer kan gasblandningar betraktas som idealiska gasblandningar för att underlätta beräkningen.

När systemen inte befinner sig vid låga tryck eller höga temperaturer kan gaspartiklarna interagera med varandra; dessa interaktioner hämmar i hög grad den ideala gaslagens noggrannhet. Det finns dock andra modeller, t.ex. Van der Waals tillståndsekvation, som tar hänsyn till gaspartiklarnas volym och de intermolekylära interaktionerna. Diskussionen utöver den ideala gaslagen ligger utanför ramen för denna artikel.