Descrizione delle trasformazioni dei gas e il concetto di zero assoluto

Descrizione delle proprietà dei gas

Per descrivere un gas bisogna tener conto della pressione a cui esso è sottoposto o che esso esercita sulle pareti del contenitore, del volume che occupa e della temperatura in cui esso si trova. Le tre grandezze fisiche che descrivono lo stato fisico di un gas a livello macroscopico sono: Pressione, Volume e Temperatura.

Se noi facciamo variare una di queste tre grandezze variano di conseguenza anche le altre due, poiché sono connesse e interdipendenti tra loro.

I fisici hanno cominciato a studiare queste tre grandezze tenendo una di queste tre fissa e costante e poi di volta in volta variando le altre due osservando cosa succedeva. I fisici prima di arrivare a trovare una formula che legasse le tre grandezze fisiche: Pressione, Volume e Temperatura hanno condotto degli esperimenti tenendo fissa una di queste tre grandezze e facendo variare le altre due.

Trasformazione isotermica dei gas

è quella trasformazione di un gas in cui si mantiene costante la temperatura. Se teniamo costante la temperatura di un gas, la trasformazione si chiama isotermica. Per avere una trasformazione isotermica si va a prendere un cilindretto munito di pistone scorrevole, in cui all'interno si trova un gas. Se si mantiene costante la temperatura vanno a variare pressione e volume del gas. Come? Aggiungendo sopra al pistone scorrevole dei pesetti, notiamo che il pistone si abbassa di un certa altezza e quindi il volume diminuiva in maniera inversamente proporzionale con la pressione, cioè pressione e volume sono inversamente proporzionali, più aumenta la pressione, più diminuisce il volume e il prodotto tra pressione e volume rimane costante.

Per mantenere la temperatura costante hanno permesso gli scambi termici con l'ambiente esterno, cioè comprimendo il gas le particelle sono costrette a rimanere in uno spazio più limitato e di conseguenza aumentano gli urti, cioè un aumento di energia cinetica e quindi un aumento di temperatura ed ecco perchè per mantenere la temperatura costante hanno permesso che il calore in aumento fosse ceduto attraverso delle pareti conduttrici all'ambiente esterno (Termostato).

In una trasformazione isotermica pressione e volume sono inversamente proporzionali: P*V = Po * Vo o P*V= cost. Legge di Boyle e Mariotte.

Trasformazione isobarica dei gas

E' quella trasformazione di un gas in cui si mantiene costante la pressione. Se sottoponiamo il gas a una pressione costante, la trasformazione si chiama isobarica. Se si mantiene costante la pressione vanno a variare temperatura e volume del gas. Si prende un cilindretto munito di pistone scorrevole sotto al quale c'è il gas, questa volta per mantenere la pressione costante si lascia dall'inizio alla fine inalterato il numero di pesetti che stanno sul pistone.

Per far variare temperatura e volume si mette sotto il cilindretto una fonte di calore (una fiamma) e notiamo che il pistone si solleva. Confrontando la variazione di temperatura con di quanto si è sollevato il pistone i fisici hanno stabililto che persiste una diretta proporzionalita tra il volume e la temperatura. Formula: ...V=

alfa vale per tutti i gas: 1/273.15. Aumenta la temperatura, aumenta il volume. 1°legge di Gay Lussac.

E' quella trasformazione di un gas in cui si mantiene costante il volume.

Se teniamo costante il volume di un gas, la trasformazione si chiama isometrica o isovolumetrica. Se si mantiene costante il volume vanno a variare temperatura e pressione del gas.

Per mantenere costante il volume blocchiamo il pistone e sotto il cilindretto mettiamo una fiamma. Fornendo calore al gas le particelle acquisendo energia cinetica si urtano più facilmente e più violentemente verso le pareti del contenitore facendo aumentare la pressione. Da qui: P fin = ...

Pressione e temperatura sono direttamente proporzionali.

Zero assoluto e gas perfetti

Il valore 273,15 della scala Kelvin deriva dal grafico dell'isocora, poichè prendendo questo grafico, i fisici hanno prolungato la retta fino a che la pressione non diventa nulla e il valore in cui questa retta tocca l'asse della temperatura è -273,15. Quindi lo zero assoluto o zero Kelvin corrisponde a -273,15°C.

Dal punto di vista fisico se un gas arrivasse alla temperatura di -273,15 °K avrebbe pressione nulla, cioè non c'è una pressione che esercita una forza perpendicolarmente alle pareti e quindi le particelle sono ferme. Lo zero assoluto non è mai stato raggiunto in laboratorio, poichè il gas a un certo punto condensa (liquefa), cioè passa allo stato liquido.

Supponiamo di avere una mole (è una quantita di materia che contiene sempre un numero fisso di particelle che è dato dal numero di Avogadro) di gas perfetto.

Consideriamo un cilindretto munito di pistone scorrevole che contiene una mole di gas perfetto. Prendiamo un gas perfetto perchè rispettano perfettamente le tre leggi delle trasformazioni dei gas mentre gli altri gas le rispettano grossomodo ma non perfettamente come i gas perfetti.

Questi gas avendo l'ottetto elettronico completo hanno caratteristiche migiori rispetto ad altri, in quanto delle condizioni di stabilità che gli altri gas non hanno.

Supponiamo che questo gas subisca due trasformazioni in sequenza: per esempio possiamo decidere di far subire al gas prima una trasformazione isobarica e poi una trasformazione isotermica.

St. in. Po Vo To => T. isobar. => St. Intermedio P1=po V1 T1 => T. Isotermica Pfin Vfin Tfin= T1