Nhiệt học

Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Trạng thái khí lý tưởng liên hệ áp suất, thể tích, nhiệt độ tuyệt đối và lượng chất qua pV=nRT.

Với lượng khí cố định trong điều kiện gần khí lý tưởng, áp suất p, thể tích V và nhiệt độ tuyệt đối T không độc lập. Phương trình trạng thái cho phép tìm đại lượng chưa biết khi biết các đại lượng còn lại.

Một trạng thái, nhiều quá trình

Trạng thái cân bằng được xác định bởi p, V, T và n. Với n không đổi, hai trạng thái cùng lượng khí thỏa $p_1V_1/T_1=p_2V_2/T_2$. Đường đi giữa các trạng thái phụ thuộc cách đun, nén hoặc giãn khí.

Trắc nghiệm nhanh

Với lượng khí cố định, phương trình trạng thái cho phép kiểm tra một trạng thái bằng cách biết ba đại lượng còn lại. Chẳng hạn, nếu nhiệt độ tăng mà thể tích giữ nguyên, áp suất tăng theo tỉ lệ tuyệt đối $p/T$; nếu áp suất giữ nguyên, khí nóng lên thì thể tích tăng. Phương trình không nói rằng các đại lượng thay đổi độc lập: chúng bị ràng buộc bởi số mol và hằng số khí. Dùng nhiệt độ Kelvin, thể tích theo m³ và áp suất theo Pa để hằng số $R=8{,}314$ J mol⁻¹ K⁻¹ nhất quán. Có thể viết $pV=Nk_BT$ khi đếm số phân tử $N$, hoặc $pV=nRT$ khi dùng số mol $n$. Hai cách viết liên hệ qua $R=N_Ak_B$. Khí thật lệch khỏi mô hình khi phân tử chiếm thể tích đáng kể hoặc tương tác mạnh, nhất là gần ngưng tụ; vì vậy phương trình lý tưởng là một xấp xỉ vật lý có miền áp dụng.

Ví dụ, một mol khí lý tưởng ở 300 K trong bình 0,024 m³ có áp suất $p=nRT/Vapprox104$ kPa. Kết quả gần áp suất khí quyển; khi tính cần đổi lít sang m³ nếu dùng $R$ theo joule trên mol kelvin.