Из трёх агрегатных состояний вещества наиболее простым для изучения является газообразное. В достаточно разреженных газах расстояния между молекулами намного больше размеров самих молекул (тогда как в жидкостях и твёрдых телах молекулы «упакованы» весьма плотно).Поэтому силы взаимодействия между молекулами таких газов очень малы.

Для описания разреженных газов в физике используется модель идеального газа. В рамках этой модели делаются следующие допущения.

1. Пренебрегаем размерами молекул. Иными словами, молекулы газа считаются материальными точками.
2. Пренебрегаем взаимодействием молекул на расстоянии.
3. Соударения молекул друг с другом и со стенками сосуда считаем абсолютно упругими.

Таким образом, идеальный газ — это газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосуда.

Средняя кинетическая энергия частиц газа

Оказывается, что ключевую роль в описании идеального газа играет средняя кинетическая энергия его частиц.

Частицы газа двигаются с разными скоростями. Пусть в газе содержится $N$ частиц, скорости которых равны $v_1, v_2, \ldots, v_N$ . Масса каждой частицы равна $m_0$ . Кинетические энергии частиц:

$E_1=\frac{\displaystyle m_0 v_1^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}, E_2=\frac{\displaystyle m_0 v_2^2 }{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}, \ldots,E_N=\frac{\displaystyle m_0 v_N^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}.$

Средняя кинетическая энергия $E$ частиц газа это среднее арифметическое их кинетических энергий:

$E=\frac{\displaystyle E_1+E_2+ \ldots+E_N}{\displaystyle N \vphantom{1^a}}= \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle N \vphantom{1^a}}\left ( \frac{\displaystyle m_0 v_1^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}+\frac{\displaystyle m_0 v_2^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}+ \ldots + \frac{\displaystyle m_0 v_N^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}} \right ) =\frac{\displaystyle m_0}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}} \ \frac{\displaystyle v_1^2+v_2^2+ \ldots v_N^2}{\displaystyle N \vphantom{1^a}}.$

Последний множитель — это средний квадрат скорости, обозначаемый просто $v_2$ :

$v_2=\frac{\displaystyle v_1^2+v_2^2+ \ldots v_N^2}{\displaystyle N \vphantom{1^a}}.$

Тогда формула для средней кинетической энергии приобретает привычный вид:

$E=\frac{\displaystyle m_0 v^2}{\displaystyle 2 \vphantom{1^a}}.$ (1)

Корень из среднего квадрата скорости называется средней квадратической скоростью:

$v=\sqrt{ \frac{\displaystyle v_1^2+v_2^2+ \ldots v_N^2}{\displaystyle N \vphantom{1^a}}}.$

Основное уравнение МКТ идеального газа

Cвязь между давлением газа и средней кинетической энергией его частиц называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа. Эта связь выводится из законов механики и имеет вид:

$p= \frac{\displaystyle 2}{\displaystyle 3 \vphantom{1^a}} nE. \ \$ (2)

где $n$ — концентрация газа (число частиц в единице объёма). С учётом (1) имеем также:

$p= \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 3 \vphantom{1^a}} m_0 nv^2. \ \$ (3)

Что такое $m_0n$ ? Произведение массы частицы на число частиц в единице объёма даёт массу единицы объёма, то есть плотность: $m_0n= \rho$ . Получаем третью разновидность основного уравнения:

$p= \frac{\displaystyle 1}{\displaystyle 3 \vphantom{1^a}} \rho v^2. \ \$ (4)

Энергия частиц и температура газа

Можно показать, что при установлении теплового равновесия между двумя газами выравниваются средние кинетические энергии их частиц. Но мы знаем, что при этом становятся равны и температуры газов. Следовательно, температура газа — это мера средней кинетической энергии его частиц.

Собственно, ничто не мешает попросту отождествить эти величины и сказать, что температура газа — это средняя кинетическая энергия его молекул. В продвинутых курсах теоретической физики так и поступают. Определённая таким образом температура измеряется в энергетических единицах — джоулях.

Но для практических задач удобнее иметь дело с привычными кельвинами. Связь средней кинетической энергии частиц и абсолютной температуры газа даётся формулой: