理想氣體定律
氣體粒子不斷地四處運動，並撞擊容器的壁，這正是壓強產生的原因。把氣體壓縮到更小的體積、給它加熱，或者增加氣體粒子的數量，壓強就會升高，因為分子擠得更密集，或者運動得更快，撞擊壁的力度更大、次數更頻繁。理想氣體定律把壓強、體積、氣體的量和溫度用一個方程聯絡了起來。
公式
P · V = n · R · T
- P — 壓強 (Pa): 氣體施加在容器壁單位面積上的力
- V — 體積 (m³): 氣體所佔據的空間大小
- n — 物質的量 (mol): 存在的氣體粒子有多少摩爾
- R — 氣體常數 (J/(mol·K)): 一個固定的數值，把壓強、體積、物質的量和溫度的單位聯絡起來
- T — 溫度 (K): 氣體有多熱，用開爾文溫標衡量
解題示例
一個容器裝有1摩爾氣體，溫度為300開爾文，被壓縮到3立方米的體積中。這些氣體施加的壓強是多少？
- n = 1 mol
- T = 300 K
- V = 3 m³
- P = n · R · T / V
- P = (1 mol · 8.31 J/(mol·K) · 300 K) / 3 m³
P = 831 Pa
自我檢測
如果溫度降到200開爾文，而體積和氣體的量保持不變，新的壓強是多少？
- 正確答案: 554 Pa
- 831 Pa
- 1662 Pa
答對了！溫度越低，壓強越低:1摩爾乘以8.31再乘以200,除以3立方米，等於554帕斯卡。
一個氣球在壓強和氣體的量都保持不變的情況下，體積增大到原來的兩倍。它的溫度必須發生什麼變化？
- 保持不變
- 正確答案: 變為原來的兩倍
- 減半
回答正確！在壓強不變的情況下，體積和溫度會同步上升，所以體積變為兩倍，溫度也會變為兩倍。
在哪裡能看到
夏天長途開車後，輪胎量出來的胎壓會偏高——輪胎不斷滾動、反覆彎折，使胎內的空氣變暖，而在體積固定的情況下，氣體越暖就意味著撞擊壁面更頻繁、壓強更高。另一方面，密封的洋芋片袋在開車上山時會像枕頭一樣鼓起來：外面向內壓的空氣變少了，被封在袋中的同樣那些氣體就能把袋子撐得更大。
常見誤解
最致命的失誤是把攝氏溫度直接代進方程——這裡的溫度是絕對溫度，要用開爾文表示，因為氣體的行為取決於分子實際運動得多快，而不是水在哪個溫度結冰。第二個失誤是把 P、V、n、T 當成四個互不相干的旋鈕：在體積和氣體的量固定的情況下，從 300 K 降到 200 K，壓強會恰好按比例下降，P = n · R · T / V 給出 (1 mol × 8.31 × 200 K) ÷ 3 m³ = 554 Pa。改變其中一項，另一項就必須跟著讓步。
關聯知識
這是熱力學的奠基方程——它定義了溫度對氣體而言是什麼（分子運動的讀數），以及這種運動如何變成壓強。接下來的量熱學要問的是：改變這個溫度在能量上要付出多少代價；而 R 正是那個在整個熱力學中反覆出現的同一個普適常數。