газ, теоретическая модель газа, в которой пренебрегается взаимодействием частиц газа (средняя кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия).
Различают классический И. г. (его свойства описываются законами классической физики) и квантовый И. г., подчиняющийся законам квантовой механики .
Частицы классического И. г. движутся независимо друг от друга, так что давление И. г. на стенку равно сумме импульсов, переданных за единицу времени отдельными частицами при столкновениях со стенкой, а энергия - сумме энергий отдельных частиц. Классический И. г. подчиняется уравнению состояния Клапейрона p nkT , где р - давление, n - число частиц в единице объёма, k - Больцмана постоянная , Т - абсолютная температура. Частными случаями этого уравнения являются законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля (см. Газы ) . Частицы классического И.г. распределены по энергиям согласно распределению Больцмана (см. Больцмана статистика ). Реальные газы хорошо описываются моделью классического И. г., если они достаточно разрежены.
При понижении температуры Т газа или увеличении его плотности n до определённого значения становятся существенными волновые (квантовые) свойства частиц И. г. Переход от классического И. г. к квантовому происходит при тех значениях Т и n , при которых длины волн де Бройля частиц, движущихся со скоростями порядка тепловых, сравнимы с расстоянием между частицами.
В квантовом случае различают два вида И. г.; частицы газа одного вида имеют целочисленный спин , к ним применима статистика Бозе - Эйнштейна, к частицам другого вида (с полуцелым спином) - статистика Ферми - Дирака (см. Статистическая физика ).
И. г. Ферми - Дирака отличается от классического тем, что даже при абсолютном нуле температуры его давление и плотность энергии отличны от нуля и тем больше, чем выше плотность газа. При абсолютном нуле температуры существует максимальная (граничная) энергия, которую могут иметь частицы И. г. Ферми - Дирака (так называемая Ферми энергия ). Если энергия теплового движения частиц И. г. Ферми - Дирака много меньше энергии Ферми, то его называют вырожденным газом . Согласно теории строения звезд, в звездах, плотность которых превышает 1-10 кг/см 3, существует вырожденный Ферми - Дирака И. г. электронов, а в звёздах с плотностью, превышающей 109 кг/см 3, вещество превращается в Ферми - Дирака И. г. нейтронов (см. Нейтронные звёзды ).
Применение теории И. г. Ферми - Дирака к электронам в металлах позволяет объяснить многие свойства металлического состояния. Реальный вырожденный Ферми - Дирака И. г. тем ближе к идеальному, чем он плотнее.
Частицы И. г. Бозе - Эйнштейна при абсолютном нуле температуры занимают наинизший уровень энергии и обладают равным нулю импульсом (И. г. в состоянии конденсата). С повышением Т число частиц в конденсате постепенно уменьшается и при некоторой температуре Т 0 (температуре фазового перехода) конденсат исчезает (все частицы конденсата приобретают импульс). При Т < Т 0 давление И. г. Бозе - Эйнштейна зависит только от температуры. Свойствами такого И. г. обладает при температурах, близких к абсолютному нулю, гелий . Другим примером И. г. Бозе - Эйнштейна является электромагнитное излучение (И. г. фотонов ), находящееся в тепловом равновесии с излучающим телом. И. г. фотонов является также примером ультрарелятивистского И. г., то есть совокупности частиц, движущихся со скоростями, равными или близкими скорости света. Уравнение состояния такого газа: р e/3, где e - плотность энергии газа. При достаточно низких температурах различного рода коллективные движения в жидкостях и твёрдых телах (например, колебания атомов кристаллической решётки) можно представить как И. г. слабых возбуждений ( квазичастиц ), энергия которых вносит свой вклад в энергию тела (см. Твёрдое тело , Квантовая жидкость ).
В. Л. Покровский.