Concetti Chiave
- L'espansione di un gas ideale in un volume maggiore porta a una diminuzione della pressione, senza alcuna variazione dell'energia interna e dell'entalpia.
- Quando due gas ideali diversi si mescolano, ciascun gas si espande indipendentemente nell nuovo volume disponibile, seguendo la Legge di Dalton.
- L'entropia, che misura il disordine di un sistema, aumenta durante l'espansione dei gas, poiché le molecole si allontanano tra loro.
- La variazione di entropia (ΔS) è positiva durante l'espansione, indicando un aumento del disordine nel sistema.
- Aumento di entalpia è associato a processi spontanei, anche se inizialmente non è accompagnato da variazioni di energia interna o entalpia.
Che cos'è l'espansione di un gas ideale?
Prendiamo in considerazione due palloni di vetro, collegati ma al momento separati da un rubinetto, uno dei quali contiene un gas ideale a 1 atm. Se si apre il rubinetto si ha l’espansione del gasi ideale anche nell’altro pallone, e la pressione si dimezza, diventa 0,50 atm. Una delle caratteristiche di un gas ideale è che la sua energia interna U non dipende dalla pressione, ma solo dalla temperatura. Quindi in questa espansione, ΔU=0. Di conseguenza anche ΔH=0. La spiegazione per questa espansione è che le molecole di un gas tendono a disperdersi in tutte il volume disponibile, occupandolo completamente, con un conseguente calo della pressione.
Mescolanza di gas ideali diversi
Consideriamo ora una situazione simile, ma in cui i due palloni siano riempiti ciascuno con un gas ideale diverso dall’altro. Aprendo il rubinetto i gas si mescolano, e il risultato è pari a quello del gas ideale, ma in misura doppia. Un gas si espande nel nuovo volume disponibile indipendentemente dall’altro (si ricordi la Legge di Dalton, sulle pressioni parziali). Anche in questo caso l’energia si è più ampiamente distribuita, e di nuovo energia interna ed entalpia non sono mutate con l’espansione.
Entropia e disordine del sistema
La proprietà termodinamica legata al modo con cui l’energia interna è distribuita in un sistema è l’entropia, che più semplicemente misura il disordine di un sistema. L’entropia, indicata con il simbolo S, è una funzione di stato come l’entalpia e l’energia interna. La variazione di entropia, ΔS, è la differenza di entropia tra due stati del sistema. Nell’espansione dei gasi, come abbiamo visto nell’esempio, l’entropia del gas aumenta (le molecole o gli atomi sono più lontane fra loro), quindi ΔS>0.
Considerato che la variazione di entalpia non è accompagnata da alcuna variazione di energia interna o di entalpia, si può iniziare a dire che un aumento di entalpia accompagni i processi spontanei. Più avanti questa considerazione sarà ridimensionata.
Domande da interrogazione
- Qual è il comportamento di un gas ideale durante l'espansione in un volume maggiore?
- Cosa accade quando si mescolano due gas ideali diversi?
- Qual è il significato dell'entropia in un sistema termodinamico?
Durante l'espansione di un gas ideale, come descritto nel testo, la pressione si dimezza e l'energia interna (ΔU) e l'entalpia (ΔH) rimangono inalterate, poiché l'energia interna dipende solo dalla temperatura.
Quando due gas ideali diversi si mescolano, ciascun gas si espande nel nuovo volume disponibile indipendentemente dall'altro, e l'energia interna e l'entalpia non subiscono variazioni, come indicato dalla Legge di Dalton sulle pressioni parziali.
L'entropia, rappresentata con il simbolo S, misura il disordine di un sistema e aumenta durante l'espansione dei gas, poiché le molecole si allontanano, portando a una variazione di entropia (ΔS) positiva.
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