Закон Джоуля для идеального газа гласит:

Закон Джоуля для идеального газа гласит: внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объёма и давления.

Это означает, что при постоянной температуре внутренняя энергия идеального газа остаётся неизменной независимо от того, какой объём он занимает и какое давление оказывает.

Математически закон Джоуля записывается следующим образом:

где:

• $U$ — внутренняя энергия идеального газа;

• $T$ — абсолютная температура газа, выраженная в кельвинах.

Для идеального газа с постоянной теплоёмкостью внутренняя энергия определяется формулой:

где:

• $\nu$ — количество вещества газа (моль);

• $C_V$ — молярная теплоёмкость при постоянном объёме;

• $T$ — абсолютная температура.

Изменение внутренней энергии идеального газа при постоянной теплоёмкости выражается формулой:

Физический смысл закона Джоуля заключается в том, что молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, за исключением кратковременных упругих столкновений. Поэтому внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму кинетических энергий хаотического движения его молекул.

Поскольку средняя кинетическая энергия молекул определяется исключительно температурой, внутренняя энергия идеального газа также зависит только от температуры.

Например, если идеальный газ расширяется при постоянной температуре (изотермический процесс), его объём увеличивается, давление уменьшается, но внутренняя энергия не изменяется:

Экспериментальным подтверждением закона Джоуля служат опыты по свободному расширению газа в вакуум. Для идеального газа при таком расширении без теплообмена и совершения внешней работы температура остаётся постоянной.

Таким образом, главная формулировка закона Джоуля: внутренняя энергия данной массы идеального газа определяется исключительно его температурой и не зависит от объёма, занимаемого газом.