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Modèle de phase gazeuse: lois des gaz parfaits

La théorie cinétique des gaz est une théorie scientifique, qui, en introduisant un modèle de phase gazeuse, a pu expliquer les conclusion empiriques sur le comportement des gaz avancées par les chimiste de la fin du dix-huitième siècle et les débuts de  dix-neuvième. Cette théorie a été élaborée pendant la seconde moitié du dix-neuvième siècle par Clausius, Maxwell et Boltzmann. À cette époque, la structure interne des atomes et molécules ainsi que leurs interactions n'étaient pas connues. La théorie cinétique des gaz utilise des modèles simplifiés et idéalises des particules élémentaires. Les atomes et les molécules sont assimilés à des petites billes absolument rigides où à des points matériels dont les intéractions mutuelles sont déterminées par des forces centrales. Toute particule qui apparient à un système macroscopique au repos est est animée des mouvements aléatoires. La température du système est une caractéristique macroscopique qui est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne des particules qui le constituent.

Les phases de la matière
Pression d'un gaz
Gaz parfait
Loi de Boyle et Mariotte
Loi de Charles
Loi de Gay-Lussac
Loi d'Avogadro
Équation d'état 
Les phases de la matière
Le fait que l'agitation thermique augmente avec la température explique que les substances existent successivement à l'état solide, liquide et gazeux. 

À l'état solide, l'agitation thermique est insuffisante pour détruire le réseau cristallin dans lequel les particules sont maintenues en contct les unes avec les autres et en positions fixes.

À l'état liquide, l'agitation thermique s'est assez intensifiée pour provoquer un rupture partielle des liens qui assurent la cohésion de la phase solide; les particules du liquide peuvent alors se déplacer les unes par rapport aux autresmais les liaisons formées entre les particules sont suffisantes pour les maintenir presque aussi proches les unes des autres que le sont les particules du solide.

La substance passe à l'état gazeux quand l'énergie cinétique des particules devient supérieure à l'énergie de liaison qui maintenait la cohésion de la phase liquide. Les particules d'un gaz ne sont pas obligées de se maintenir en contact et c'est pourquoi elle s'éloignent en occupant tout  le volume disponible.
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Pression d'un gaz
Lorsque un gaz se trouve enfermé dans un récipient d'un certain volume, les particules de ce gaz, en se déplaçant continuellement

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Gaz parfait

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Équation d'état
À l'état d'équilibre les variables d'état ne sont pas indépendantes. Il existe entre elles une relation fonctionnelle qui on appelle équation d'état du système. Ainsi, pour un gaz, une fois connues la masse (ou le nombre de moles), la température et la pression, le volume occupé par le système est connu. 
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Procédé thermodynamique 
Une transformation ouprocédé thermodynamique est n'importe quel changement des variables d'état d'un système. Si pendant la transformation du système les variables d'état du système sont uniformes en tout point du système le processus est réversible. En cas échéante le processus se dit irréversible. 
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Travail
Le travail est un échange d'énergie entre un système et son environnement. Il y a plusieurs types de travail: mécanique, électrique, chimique, etc.  Le travail exécuté quand une masse change de position dans un champ de forces F est donné par: 
 où W est le travail, la force et  le vecteur déplacement. 

Quand cette masse se déplace d'un point (1) à un point (2) dans le champ de forces le travail fourni par cette force est 

Dans le cas de la thermodynamique le travail le plus commun est celui associé à des changements de volume du système. 

La figure représente une masse de forme quelconque limité par une surface sigma. Si cette surface change parce que le volume du système a changé quel est le travail associé à ce changement de volume? 

Soit p la pression à l'intérieur du système. La pression à l'extérieur doit être égale à p sinon il existerait une force du au gradient de pression et le système ne serait pas à l'équilibre. D'autre part nous savons que la pression est la force par unité de surface. Le champ de force dans lequel le déplacement (déplacement de la surface à cause de l'augmentation de volume dV) se fait est . 

D'autre part = ds ou est le vecteur unitaire localement perpendiculaire à la surface et ds est le déplacement de la surface. Le travail infinitésimal fait localement par  est alors: 

Le travail d'expansion réalisé par les changements de forme de la surface s'obtient par intégration de cette équation sur toute la surface. 

où p sort de l'intégrale puisque il doit être le même partout dans le système (condition d'équilibre). Or 
Nous pouvons alors conclure que le travail d'expansion dw, par unité de masse, qui se manifeste comme un changement de volume du système dV/M, est 
Cette formule est l'expression fondamentale du travail spécifique en thermodynamique. Elle est complètement générale et s'applique à toute substance qui constitue le système en étude. 
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Température

Les études de la structure de la matière nous font savoir que tout ion, molécule ou atome possède une certaine énergie cinétique due à l'agitation thermique. La température est une mesure de cette agitation thermique. La sensation de chaleur est une manifestation macroscopique de l'agitation qui anime les particules à l'échelle moléculaire. Un corps nous paraît d'autant plus chaud que sa température est élevée.

L'égalité des températures de deux systèmes en contact est une condition nécessaire pour l'équilibre entre les deux systèmes.

La première loi de la thermodynamique établit qu'il existe une propriété scalaire universelle appelé température caractéristique de l'état d'équilibre de tout système thermodynamique. 
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