Ідеальний газ
Як відомо, всі речовини в природі мають своє агрегатний стан, одним з яких є газ. Складові його частинки - молекули й атоми - розташовані один від одного на великій відстані. При цьому вони знаходяться в постійному вільному русі. Ця властивість вказує на те, що взаємодія частинок відбувається тільки в момент зближення, різко збільшуючи швидкість зіштовхуються молекул і їх величину. Цим газоподібний стан речовини відрізняється від твердого та рідкого.
Саме слово «газ» в перекладі з грецької звучить як «хаос». Це чудово характеризує рух частинок, яке насправді безладно і хаотично. Газ не утворює певної поверхні, він заповнює весь доступний йому об'єм. Такий стан речовин - найпоширеніше в нашому Всесвіті.
Закони, які визначають властивості і поведінку такої речовини, найлегше формулювати і розглядати на прикладі стану, в якому відносна щільність молекул і атомів низька. Воно отримало назву «ідеальний газ». У ньому відстань між частинками більше, ніж радіус взаємодії міжмолекулярних сил.
Отже, ідеальний газ - це теоретична модель речовини, в якій майже повністю відсутня взаємодія частинок. Для нього повинні існувати наступні умови:
Дуже маленькі розміри молекул.
Немає сили взаємодії між ними.
Сутички відбуваються як зіткнення пружних кульок.
Хорошим прикладом такого стану речовини можна назвати гази, в яких тиск при низькій температурі не перевищує атмосферний у 100 разів. Вони зараховуються до розрядженим.
Саме поняття «ідеальний газ» дало можливість науці вибудувати молекулярно-кінетичну теорію, висновки якої знаходять підтвердження у багатьох експериментах. За цим вченням розрізняються ідеальні гази класичні та квантові.
Характеристики першого знаходять своє відображення в законах класичної фізики. Рух частинок в цьому газі не залежить один від одного, який чиниться тиск на стінку дорівнює сумі імпульсів, які при зіткненні передаються окремими молекулами за певний час. Їх енергія же в сумі складає об'єднану окремими частинками. Робота ідеального газу в цьому випадку розраховується рівнянням Клапейрона p = nkT. Яскравим прикладом цього служать закони, виведені такими вченими-фізиками, як Бойль-Маріотт, Гей-Люссак, Шарль.
Якщо ідеальний газ знижує температуру або збільшує щільність частинок до певного значення, підвищуються його хвильові властивості. Відбувається перехід до газу квантовому, при якому довжина хвиль атомів і молекул порівнянна з відстанню між ними. Тут розрізняють два типи ідеального газу:
Вчення Бозе і Ейнштейна: частки одного виду мають цілочисельний спин.
Статистика Фермі і Дірака: інший тип молекул, що мають напівцілий спин.
Відмінність класичного ідеального газу від квантового полягає в тому, що навіть при абсолютно нульовій температурі значення щільності енергії і тиску відрізняються від нуля. Вони стають більше при збільшенні щільності. У цьому випадку частинки мають максимальну (інша назва - граничну) енергію. З цієї точки зору розглядається теорія будови зірок: у тих з них, в яких щільність вище 1-10 кг / см3, яскраво виражений закон електронів. А де вона перевищує 109кг / см3, речовина перетворюється на нейрони.
У металах використання теорії, при якій класичний ідеальний газ переходить в квантовий, дозволяє пояснити велику частину металевих властивостей стану речовини: чим щільніше частинки, тим це ближче до ідеалу.
При сильно виражених низьких температурах різних речовин в рідких і твердих станах колективний рух молекул можна розглядати як роботу ідеального газу, представленого слабкими возбуждениями. У таких випадках видно вклад в енергію тіла, який додають частинки.