Phương trình xác định mối liên hệ giữa ba thông số trạng thái của chất khí gọi là phương trình trạng thái của khí lí tưởng.

Để lập phương trình này, ta xét một lượng khí từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) sang trạng thái 2 (p2, V2, T2) qua trạng thái trung gian 1' (p', V2, T1) bằng các đẳng quá trình đã học trong các bài trước.

+ Trạng thái (1) sang trạng thái (1’) là quá trình đẳng nhiệt vì nhiệt độ T1 được giữ nguyên. Biểu thức liên hệ: p1.V1 = p’.V2 (I).

+ Trạng thái (1’) sang trạng thái (2) là quá trình đẳng tích vì thể tích V2 được giữ nguyên. Biểu thức liên hệ:  (II)

+ Từ (I) suy ra:  thế vào (II), ta được: 

Hay:  . Đây là phương trình trạng thái của khí lí tưởng.