В состоянии термодинамического равновесия все параметры макроскопической системы остаются неизменными сколь угодно долго при неизменных внешних условиях. Эксперимент показывает, что для любых газов, находящихся при одинаковых внешних условиях в состоянии равновесия, независимо от сорта газов выполняется соотношение
, (4.3.1)
где , , - давление, объем и число молекул первого и второго газа, соответственно. Полученное уравнение (4.3.1) является справедливым, если давление газа не превышает нескольких атмосфер.
Параметр , имеющий размерность энергии, растет с ростом температуры и является естественной мерой температуры. Однако исторически принято измерять температуру в градусах. В статистической физике и термодинамике используется абсолютная шкала температур, температура измеряется в кельвинах (К). Абсолютная температура связана с соотношением
, (4.3.2)
где - постоянная Больцмана.
За абсолютный нуль температуры принимается температура, при которой объем газа приближается к нулю при постоянном давлении газа. Температура в кельвинах и температура в градусах Цельсия связаны следующим соотношением:
. (4.3.3)
Отсюда следует, что
Число частиц газа , с учетом этого соотношения и из определения параметра (4.3.2) , уравнение (4.2.1) принимает вид
, (4.3.4)
где - универсальная газовая постоянная. Уравнение (4.3.4) носит название уравнения состояния идеального газа или уравнения Менделеева-Клапейрона. Фактически оно было получено экспериментально для достаточно разреженных газов, т.е. для газов, в которых расстояния между молекулами значительно больше размеров молекул; на таких расстояниях молекулы газа практически не взаимодействуют, лишь при столкновениях молекул потенциальная энергия их взаимодействия становится сравнимой с кинетической энергией молекул, но столкновения происходят редко. Поэтому если в газе средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул значительно меньше их средней кинетической энергии, то такой газ называется идеальным. С другой стороны, газ не может иметь слишком низкую плотность. Уравнение (4.3.4) справедливо, если выполняется следующее условие:
,
где характерный размер системы, например, размер сосуда, в котором заключен газ.