При изучении изменения состояния важно установить связь между различными величинами, характеризующими свойства вещества и называются параметрами состояния. Важнейшими из них являются плотность (или связанный с ней удельный объем, который занимает единица массы вещества), давление и температура.
Уравнение, связывающее для определенной массы вещества объем, давление и температуру, называют термическим уравнением состояния вещества, которое в дальнейшем будем называть уравнением состояния. Запишем это уравнение в общем виде
f (p, V, Т) = 0. (4.1)
Простейшего вида уравнения состояния набирает для идеального газа. Идеальный газ - это физическая абстракция (модель), которая реально не существует, но с которой сравнивают реальные газы.
Под идеальным газом понимают такой газ, в котором частицы между собой на расстоянии не взаимодействуют, а размерами их можно пренебречь, то есть считать, что масса их сосредоточена в точке. Реальные газы ведут себя как идеальный газ при высоких температурах и малых давлениях. Однако практически некоторые газы даже при атмосферном давлении и комнатной температуре в первом приближении можно характеризовать законами идеального газа. Законы идеального газа выведены для неизменной массы газа.
Закон Бойля - Мариотта справедлив при постоянной температуре (изотермический процесс):
pV = const.
Закон Гей-Люссака передает зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении (изобарный процесс):
V = V0 (l + at),
Физический смысл этой формулы таков: если поместить газ в закрытый сосуд, объем которой можно изменять, например в цилиндр с поршнем, то при произвольном изменении объема и температуры давление меняться так, что отношение произведения давления на объем до абсолютной температуры равен некоторой постоянной величине. Эта величина, как показывает опыт, зависит от массы газа.
Для грам-моля любого газа это отношение будет таким:
pV = RT,