Studiando gli effetti che la temperatura ha sulle sostanze, essendo le sostanze costituite da un gran numero di molecole , è naturale cercare di spiegare la temperatura a livello molecolare. Per semplicità ci si occupa dei gas, con l' aiuto di un modello noto come gas perfetto. E' però opportuno conoscere alcuni concetti preliminari utili per trattare comodamente un gran numero di molecole:
L' equazione di stato dei gas perfetti esprime la relazione fra la pressione , la temperatura assoluta (kelvin), il volume e il numero di moli di un gas. Più formalmente, la pressione assoluta p di un gas perfetto è direttamente proporzionale alla temperatura Kelvin T e al numero di moli n, ed è inversamente proporzionale al volume V del gas:
dove R=8.315 J/(mol·K) è la costante universale dei gas.
Sappiamo però che una mole di qualunque sostanza contiene un numero di atomi
o molecole Na = 6.02·1023. Quindi, se N atomi o molecole
occupano il volume V alla pressione P ed alla temperatura T, possiamo scrivere:
dove k è nota come Costante di Boltzmann.
Altre relazioni che caratterizzano lo stato di un gas sono: la legge di Boyle
che stabilisce che in un gas, in condizioni di temperatura costante, il volume
è inversamente proporzionale alla pressione; la legge di Gay-Lussac la quale
afferma che, a volume costante, la pressione è proporzionale alla temperatura
assoluta. Combinando queste due leggi si ottiene l' equazione di stato del gas
perfetto. Quest' ultima , benché utile, è di scarso aiuto quando si vuole determinare
la relazione che la pressione e la temperatura hanno con le proprietà delle
molecole stesse, come le loro velocità. Per stabilire tali relazioni si deve
studiare la dinamica del moto molecolare nei gas. Tale studio prende il nome
di teoria cinetica dei gas.
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