Gas
(terionisasi)". Perlu diperhatikan bahwa semua kondisi pengecualian ini memungkinkan perpindahan energi berlangsung dalam sistem gas. Tidak adanya transfer internal inilah yang disebut sebagai kondisi ideal dimana pertukaran energi hanya terjadi pada batas-batas sistem. Gas nyata mengalami beberapa tumbukan dan gaya antarmolekul ini. Bila tabrakan ini secara statistik dapat diabaikan (tak termampatkan),
hasil dari persamaan ideal ini masih berarti. Jika partikel gas dimampatkan hingga berdekatan, mereka berperilaku lebih seperti cairan (lihat dinamika fluida).
"Persamaan keadaan" (untuk gas) adalah model matematis yang digunakan untuk mendeskripsikan atau memprediksi secara kasar sifat keadaan suatu gas. Saat ini, tidak ada persamaan tunggal yang secara akurat dapat memprediksi sifat semua gas dalam semua kondisi. Oleh karena itu, sejumlah persamaan keadaan yang jauh lebih akurat telah
dikembangkan untuk gas pada suhu dan rentang tekanan tertentu. "Model gas" yang paling banyak dibahas adalah "gas sempurna", "gas ideal" dan "gas nyata". Masing-masing model ini memiliki seperangkat asumsi tersendiri untuk memudahkan analisis sistem termodinamika yang diberikan. Setiap model yang berurutan memperluas rentang cakupan suhu yang akan diterapkan.
Persamaan keadaan untuk gas ideal atau sempurna adalah hukum gas ideal dan dinyatakan sebagai dengan "P" adalah tekanan, "V" adalah volumenya, "n" adalah jumlah gas (dalam satuan mol), "R" adalah tetapan gas,, dan "T" adalah suhu. Penulisan cara ini kadang-kadang disebut "versi kimiawan", karena ini menekankan jumlah molekul
"n". Bisa juga ditulis sebagai dengan formula_4 adalah konstanta gas spesifik untuk gas tertentu, dalam satuan J•kg•K, dan formula_5 adalah densitas. Notasi ini adalah versi "ahli dinamika gas", yang lebih praktis dalam pemodelan aliran gas yang melibatkan percepatan tanpa reaksi kimia.
Hukum gas ideal tidak membuat asumsi tentang panas spesifik gas. Dalam kasus yang paling umum, panas spesifik adalah fungsi dari suhu dan tekanan. Jika ketergantungan terhadap tekanan diabaikan (dan mungkin juga ketergantungan terhadap suhu) dalam aplikasi tertentu, terkadang gas dikatakan sebagai gas sempurna, walaupun asumsi yang tepat dapat bervariasi, tergantung pada penulis dan/atau bidang sains.
Untuk gas ideal, hukum gas ideal berlaku tanpa batasan pada panas spesifik. Gas ideal adalah "gas nyata" yang disederhanakan dengan asumsi bahwa faktor kompresibilitas "Z" diatur pada 1 yang berarti bahwa rasio pneumatik ini tetap konstan. Faktor kompresibilitas satu juga memerlukan empat variabel keadaan untuk mengikuti hukum gas ideal.
Pendekatan ini lebih sesuai untuk aplikasi di bidang teknik meskipun model sederhana dapat digunakan untuk menghasilkan rentang "taman bola" dimana solusi sebenarnya harus dibohongi. Contoh dimana "perkiraan gas ideal" akan sesuai adalah berada di dalam ruang bakar mesin jet. Ini mungkin juga berguna menjaga reaksi elementer dan disosiasi kimia untuk menghitung emisi.
Masing-masing asumsi yang tercantum di bawah ini menambah kompleksitas pemecahan masalah. Karena kerapatan gas meningkat seiring dengan kenaikan tekanan, gaya antarmolekul memainkan peran yang lebih substansial dalam perilaku gas yang menghasilkan hukum gas ideal tidak lagi memberikan hasil yang "masuk akal". Pada batas atas rentang suhu mesin (misalnya bagian pembakar-), partikel bahan bakar yang
kompleks menyerap energi dalam dengan cara rotasi dan vibrasi yang menyebabkan panas spesifik mereka bervariasi dari molekul diatomik dan gas mulia. Pada suhu lebih dari dua kali lipat suhu itu, eksitasi elektron dan disosiasi partikel gas mulai terjadi yang menyebabkan tekanan untuk menyesuaikan diri dengan jumlah partikel yang lebih banyak (transisi dari gas
menjadi plasma). Akhirnya, semua proses termodinamika diasumsikan untuk menjelaskan gas seragam yang kecepatannya bervariasi sesuai dengan distribusi tetap. Menggunakan situasi non-kesetimbangan menyiratkan bidang aliran harus dicirikan dengan beberapa cara untuk memungkinkan sebuah pemecahan. Salah satu usaha pertama untuk memperluas batas-batas hukum gas ideal adalah meliputi cakupan berbagai
proses termodinamika dengan menyesuaikan persamaan agar terbaca "pV = konstan" dan kemudian memvariasikan "n" melalui nilai yang berbeda seperti rasio panas spesifik, "".
Efek gas nyata termasuk penyesuaian yang dilakukan untuk memperhitungkan berbagai perilaku gas yang lebih besar:
Untuk sebagian besar aplikasi, analisis terperinci seperti itu berlebihan. Contoh dimana "efek Gas Nyata" memiliki dampak signifikan yaitu pada masuk kembalinya pesawat ulang alik ke atmosfer dimana suhu dan tekanannya sangat tinggi atau gas yang dihasilkan selama kejadian geologis seperti pada gambar letusan Gunung Redoubt tahun 1990.
Hukum Boyle mungkin merupakan ekspresi pertama dari sebuah persamaan keadaan. Pada tahun 1662 Robert Boyle melakukan serangkaian percobaan menggunakan tabung kaca berbentuk J, yang disegel di salah satu ujungnya. Raksa ditambahkan ke dalam tabung, menjebak sejumlah tertentu udara dalam ujung tabung yang pendek dan tertutup. Kemudian volume gas diukur dengan hati-hati saat
raksa ditambahkan ke tabung. Tekanan gas bisa ditentukan oleh perbedaan antara tingkat raksa pada ujung pendek tabung dengan pada ujung panjang yang terbuka. Gambar peralatan Boyle menunjukkan beberapa alat-alat unik yang digunakan Boyle selama mempelajari gasnya.
Melalui eksperimen ini, Boyle mencatat bahwa tekanan yang diberikan oleh gas yang ditahan pada beberapa variasi suhu konstan berbanding terbalik dengan volume gas. Misalnya, jika volume adalah setengahnya, tekanan menjadi dua kalinya; dan jika volume dua kalinya, tekanan adalah setengahnya. Dengan adanya hubungan berbanding terbalik antara tekanan dan volume, maka hasil kali
tekanan ("P") dan volume ("V") merupakan suatu konstanta ("k") untuk massa gas tertentu selama suhunya konstan. Jika dinyatakan dalam rumus, maka:
Tekanan dan volume sejumlah tertentu gas, dengan suhu sebelum dan sesudah adalah sama dengan konstan "k", maka hubungan antara tekanan dan volume sebelum dan sesudah dapat dituliskan dengan persamaan:
Pada tahun 1787, fisikawan Perancis dan pelopor balon, Jacques Charles, menemukan bahwa oksigen, nitrogen, hidrogen, karbon dioksida, dan udara mengembang dengan tingkat pemuaian yang sama dalam rentang 80 kelvin. Ia mencatat bahwa untuk gas ideal pada tekanan konstan, volume berbanding lurus dengan suhunya:
Pada tahun 1802, Joseph Louis Gay-Lussac mempublikasikan hasilnya yang serupa, meskipun melalui esperimen yang lebih ekstensif. Gay-Lussac mengakui karya Charles sebelumnya dengan menamakan hukumnya sebagai penghormatan atas Charles. Gay-Lussac sendiri diakui dengan hukum yang menjelaskan tekanan, yang ditemukannya pada tahun 1809. Ia menyatakan bahwa tekanan yang dihasilkan oleh suatu gas ideal berbanding lurus dengan suhunya.
Pada tahun 1811, Amedeo Avogadro memverifikasi bahwa volume gas murni yang sama mengandung jumlah partikel yang sama. Teorinya tidak serta merta diakui hingga tahun 1858 ketika kimiawan Italia lainnya Stanislao Cannizzaro mampu menjelaskan pengecualian-pengecualian non ideal. Untuk karyanya dengan gas satu abad sebelumnya, bilangan yang dinamakan dengan namanya bilangan
Avogadro mewakili jumlah atom yang ditemukan dalam 12 gram unsur karbon-12 (). Jumlah spesifik partikel gas ini, pada suhu dan tekanan standar (hukum gas ideal) mempunyai volume, yang dikenal sebagai volume molar.
Hukum Avogadro menyatakan bahwa volume gas ideal berbanding lurus dengan jumlah mol (atau molekul) yang terdapat dalam wadah. Ini menghasilkan kenaikan volume molar gas, yang pada STP adalah (atau liter). Hubungannya dinyatakan sebagai: