Elementi di Fisica e applicazioni Carlo Elce
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I gas
L'equazione di Van der Waals
I gas ad alte temperature possono deviare sostanzialmente dal comportamento ideale. In queste condizioni l'equazione dei gas ideali non è appropriata. Per questi casi è stata sviluppata un'altra equazione dallo scienziato tedesco D. van der Waals (1837–1923).
L'equazione di Van der Waals predice il comportamento dei gas reali corretto da due effetti: il volume limitato delle molecole di gas e le forze di attrazione tra le molecole di gas. Le costanti di Van der Waals a e b sono diverse per ogni gas.
T
Temperatura del gas:
V
Volume del gas: n
Numero di molecole del gas:
a b
Costanti di Van der Waals: joule
.
R 8.314
Costante universale dei gas:.
mole K
Pressione del gas:
2
. . .
n R T n a
P = n R T / (V − n b) − n2 a / V2
V n b V
Il tetracloruro di carbonio (CCl4) è un gas che ha molte costanti di Van der Waals in confronto ai gas più comuni.
2
.
liter atm liter
. .
a 20.4 b 0.1383
2 mole
mole . .
n 2 mole T 800 K
Se n moli del gas sono mantenute a temperatura T
La pressione Pvdw calcolata con l'equazione di Van der Waals devierà significativamente dalla pressione Pideal calcolata con la legge dei gas ideali visto che il volume V del gas è diminuito.
. . .
V 1 liter
, 1.2 liter
.. 5 liter www.matematicamente.it
Legge dei gas perfetti
Viene fornita la legge dei gas perfetti, con una breve introduzione del concetto di gas e le relazioni che intercorrono tra le variabili di stato di pressione, volume e temperatura. Vengono poi forniti tre esempi di applicazione della stessa che trattano trasformazioni termodinamiche, utili a mostrare come variano le grandezze presenti e per verificare come la legge possa avere applicazioni non solo da un punto di vista fisico, ma anche chimico (calcolo delle masse e delle moli dei reagenti e composti in una reazione).
Confronto tra equazione dei gas perfetti ed equazione di Van der Waals
Secondo l'equazione dei gas perfetti vale:
Dove
Tuttavia è bene ricordare che questa è solo un'approssimazione di una relazione ben più complicata, descritta invece dall'equazione di Van der Waals.
Secondo l'equazione di Van der Waals vale infatti:
Dove
Ad esempio, per il tetracloruro di carbonio (CCl4) vale
In ogni caso, per
Applicazione della legge e confronto dell'errore
Studiamo la pressione esercitata da
Primo approccio: equazione di stato dei gas perfetti
Dall'equazione:
Si può ricavare:
Secondo approccio: equazione di Van der Waals
Applichiamo l'equazione di Van der Waals con
Sostituendo i valori si ottiene:
La differenza è notevole! In effetti l'equazione di stato dei gas perfetti è solo un'approssimazione!