Un gas ideale è uno stato di materia teorico utilizzato dai fisici nell’analisi della teoria della probabilità. Il gas ideale è costituito da molecole che rimbalzano l’una sull’altra senza interagire affatto. Non ci sono forze di attrazione o repulsione tra le molecole e nessuna energia viene persa durante le collisioni. I gas ideali possono essere completamente descritti dal loro volume, densità e temperatura.
L’equazione di stato per un gas ideale, comunemente nota come legge dei gas ideali, è PV = NkT. Nell’equazione, N è il numero di molecole e k è la costante di Boltzmann, che è pari a circa 1.4 x 10-23 joule per kelvin. Ciò che di solito è più importante è che la pressione e il volume sono inversamente proporzionali e ciascuno è proporzionale alla temperatura. Ciò significa, ad esempio, che se la pressione viene raddoppiata mantenendo costante la temperatura, allora il volume del gas deve dimezzarsi; se il volume del gas viene raddoppiato mantenendo costante la pressione, anche la temperatura deve raddoppiare. Nella maggior parte degli esempi, il numero di molecole nel gas è considerato costante.
Naturalmente, questa è solo un’approssimazione. Le collisioni tra le molecole di gas non sono perfettamente elastiche, parte dell’energia viene persa e le forze elettrostatiche tra le molecole di gas esistono. Ma nella maggior parte delle situazioni quotidiane, la legge dei gas ideali si avvicina molto al comportamento effettivo dei gas. Anche se non viene utilizzato per eseguire calcoli, tenere a mente le relazioni tra pressione, volume e temperatura può aiutare uno scienziato a comprendere intuitivamente il comportamento di un gas.
La legge dei gas ideali è spesso la prima equazione che le persone imparano quando studiano i gas in una lezione introduttiva di fisica o chimica. L’equazione di Van der Waal, che include alcune correzioni minori ai presupposti di base della legge dei gas ideali, viene insegnata anche in molti corsi introduttivi. In pratica, tuttavia, la correzione è così piccola che se la legge dei gas ideali non è sufficientemente accurata per una data applicazione, nemmeno l’equazione di Van der Waal sarà abbastanza buona.
Come nella maggior parte della termodinamica, si presume che anche il gas ideale sia in uno stato di equilibrio. Questa ipotesi è chiaramente falsa se la pressione, il volume o la temperatura cambiano; se queste variabili cambiano lentamente, uno stato chiamato equilibrio quasi statico, l’errore può essere comunque accettabilmente piccolo. Rinunciare al presupposto dell’equilibrio quasi statico significa abbandonare la termodinamica per il mondo più complicato della fisica statistica.