Стан ідеального газу. Частки (атоми, молекули) реально існуючих газів володіють власними розмірами, займають певний об’єм простору, і в деякій мірі залежні один від одного. Сили фізичної взаємодії між частинками газу ускладнюють їх рух і зменшують їх рухливість. З цих причин газові закони і наслідки з них досить строго дотримуються тільки для розріджених реальних газів, для яких відстань між частинками значно перевищує власний розмір часток газу, а взаємодію між частинками зведено до мінімуму. При звичайному (атмосферному) тиску газові закони стають приблизними, а при високому тиску не виконуються зовсім.
У зв’язку з цим в науці присутнє поняття про стан ідеального газу, при якому частки розглядаються як геометричні точки з нульовими розмірами і не взаємодіють одна з однією. Таким чином, ідеальний газ – це абстракція, а реальний газ наближається до моделі ідеального газу тим більшою мірою, чим більше розрізняються температура рівноважної конденсації цього газу і температура, при якій цей газ знаходиться в даному випадку.
При кімнатній температурі і атмосферному тиску до ідеального стану наближаються такі гази, як H2, N2, O2, температури рівноважної конденсації яких рівні (округлено) 20K, 77K, 90K. Амоніак і сульфуру (IV) оксид (температура конденсації 240K 263K) далекі від стану ідеального газу, але при 500°C і вище поведінку цих газів вже підкоряється, наближено, до рівняння стану ідеального газу.
Рівняння стану ідеального газу. Значення молярного об’єму газу, яке дорівнює 22,4 л / моль, відноситься до нормальних фізичних умов, під якими розуміють тиск у 1,01325·105 Па, або 1 атмосфера, і термодинамічна температура 273,15 К (0°C).
Між значеннями термодинамічної температури T, вираженої в Кельвінах K (неправильно використовувати гібридне позначення Кельвіна як °K, це заборонено в Міжнародній системі одиниць), і температури Цельсія, вираженої в градусах Цельсія (позначення °C) існує проста залежність:
T (K) = t (°C) + 273.15
У хімічних реакціях зазначені вище нормальні умови практично не реалізуються. Тому, перш ніж проводити будь-які розрахунки виміряні при інших умовах, об’єми газів необхідно перераховувати стосовно до нормальних умов.
Для приведення об’єму газу до нормальних умов можна користуватися рівнянням об’єднаного газового закону, виведеним французьким фізиком Клапейроном і носять його ім’я:
pV / T = const або pV / T = p0V0 / T0
де
p (кПа), V (см3, дм3, м3), T (K) – параметри деякого стану ідеального газу (відмінні від н.у.);
p0, V0, T0 – параметри, що відповідають нормальним умовам.
З останнього рівняння можна розрахувати значення V0 (об’єм газу при н.у.), якщо відомий об’єм V газу при деяких інших умовах:
V0 = pVT0 / p0T
Також легко перерахувати значення V0 на умови експерименту:
V = p0V0T / pT0
Співвідношення pV / T є постійною величиною при будь-яких заданих значеннях p і V для будь-якого виміряного об’єму ідеального газу, отже, воно постійно і для молярного об’єму ідеального газу і при нормальних умовах:
R = p0VM / T0 = 101,325 кПа * 22,41383 дм3/моль / 100 кПа * 273,15 К = 8,31441 (кПа*дм3) / (моль*К)
Оскільки добуток об’єму на тиск є енергія W = pV, то і добуток одиниць об’єму (м3) і тиску (Па) є одиниця енергії – джоуль в СІ (Дж). Отже, значення постійної R в системі СІ складе:
R = 8.31441 Дж / (моль·K)
Таким чином, для 1 моль ідеального газу і, отже, всіх реальних газів, які за своїми властивостями наближаються до ідеальної моделі, при нормальних умовах значення R називається універсальною газовою сталою.
Співвідношення між параметрами ідеального газу (тиском p, об’ємом V, кількістю речовини n, термодинамічною температурою T) описує рівняння Клапейрона-Менделєєва:
pV = nRT
Рівняння Клапейрона-Менделєєва встановлює зв’язок між тиском, об’ємом і температурою будь-якої порції газу з властивостями ідеальної моделі, тому називається рівняння стану ідеального газу.
Рівняння стану ідеального газу, дозволяє проводити розрахунки параметрів реальних газів при фізичних умовах, що наближаються до нормальних умов.