Un gas ideale o... perfetto!

L'equazione dei gas perfetti è un buon esempio di come in fisica si proceda spesso per modelli derivati sperimentalmente al fine di descrivere i fenomeni naturali e come questi modelli siano validi sotto ben definite condizioni fisiche.
Nota: sul modo di procedere della scienza vedi anche il post "Il Metodo Scientifico".

Osserviamo subito che "per gas ideale (o gas perfetto) si intende un gas che possieda le seguenti proprietà:

• le molecole sono considerate puntiformi [quindi prive di volume e di energia di rotazione interna];
• le molecole interagiscono tra loro e con le pareti del recipiente attraverso urti perfettamente elastici [perciò l'energia meccanica si conserva];
• sono trascurabili le forze di interazione a distanza tra le molecole del gas [ovvero si trascura l'energia potenziale];
• le molecole del gas sono considerate identiche tra loro ma distinguibili [possiamo cioè applicare i principi della meccanica statistica];
• il moto delle molecole è casuale e disordinato in ogni direzione ma soggetto a leggi deterministiche [siamo quindi in condizioni non quantistiche]."
  (Vedi Wikipedia)

Questa premessa è necessaria poiché "in fisica e in termodinamica si usa generalmente l'approssimazione detta dei gas perfetti: il gas cioè viene considerato costituito da atomi puntiformi, che si muovono liberi da forze di attrazione o repulsione fra loro e le pareti del contenitore".

È proprio grazie a questa approssimazione che è possibile "formulare la legge nota come equazione di stato dei gas perfetti, che descrive, in condizioni di equilibrio termodinamico (dove le variabili di stato son ben definite), la relazione fra pressione, volume e temperatura del gas: 

pV=nRT 

dove p è la pressione, V il volume occupato dal gas, n il numero di moli, R la costante universale dei gas perfetti e T la temperatura" (vedi Wikipedia).

Nota: per chiarimenti sulla legge di stato dei gas perfetti vedi il post "Una Legge di Stato: pv=nRT".

Ad esempio, in condizioni stabili di equilibrio termodinamico, dalla relazione precedente si ricava subito che, indipendentemente dal tipo di gas, ponendo n=1 segue V=RT/p e quindi sostituendo i relativi valori si ha che "una mole di gas perfetto occupa 22,4 litri a temperatura di 0 °C e pressione di 1 atmosfera".
Nota: per questo motivo un volume pari a 22,4 litri è detto volume molare (si ricordi che 1litro=1dm³).

Tuttavia, per quanto è stato premesso sui gas ideali, si osservi che "i gas reali vengono descritti dalla legge dei gas perfetti con buona approssimazione solo quando la pressione è sufficientemente bassa e la temperatura sufficientemente alta" (vedi Wikipedia).

Nota: in queste condizioni possiamo trascurare l'energia potenziale dovuta alle forze di interazione tra le molecole come richiesto per i gas ideali.

Tenendo conto di queste particolari condizioni possiamo attribuire un preciso significato fisico all'equazione di stato dei gas perfetti in modo che abbia una corrispondenza diretta, anche se approssimata, con la realtà sperimentale.