Concetti Chiave
- I gas non hanno forma né volume propri e tendono a occupare tutto il volume disponibile nel recipiente attraverso il processo di diffusione.
- Il modello cinetico dei gas, introdotto da Maxwell e Boltzmann, descrive il comportamento delle molecole di gas come incessante, casuale e con interazioni trascurabili.
- Le molecole di un gas si considerano puntiformi e non esercitano forze l'una sull'altra, eccetto durante gli urti, che sono perfettamente elastici.
- La temperatura di un gas è legata alla velocità quadratica media delle molecole, mentre la pressione dipende dal numero e dall'entità degli urti con le pareti del recipiente.
- Le leggi dei gas ideali, tra cui la legge di Boyle, la legge di Charles e la legge di Gay-Lussac, descrivono le relazioni tra pressione, volume e temperatura dei gas.
Caratteristiche dei gas
I gas, a differenza dei solidi e dei liquidi, non hanno forma nè volume propri. Se contenuti in un recipiente tendono ad occupare tutto il volume a disposizione. Questo processo viene chiamato diffusione, cioè le molecole del gas tendono spontaneamente da una regione all'altra. Rispetto ai liquidi e ai solidi le forze di interazione tra le molecole sono estremamente deboli, per cui le molecole di un gas sono quasi del tutto libere di muoversi in modo caotico urtando continuamente tra loro e con le pareti del recipiente.
Modello cinetico dei gas
Per analizzare il comportamento fisico di un gas fu introdotto nel 1859 da Maxwell e Bolzman un modello fisico, chiamato modello cinetico dei gas ideali o perfetti. Il comportamento dei gas reali si avvicina a tale modello con ottima approssimazione per temperature sufficientemente elevate per discostarsi lievemente per temperature più basse.
I capisaldi di tale modello sono:
1)le molecole di un gas hanno tutte la stessa massa e sono soggette ad un moto incessante e totalmente casuale(la massa di ciascuna molecola è cosi piccola che gli effetti gravitazionali sono trascurabili).
2)le distanze tra le molecole di un gas sono mediamente grandi rispetto alle dimensioni delle molecole, cioè esse si possono considerare puntiformi. In tal modo il covolume(volume di ingombro delle molecole) è nullo per cui il volume a disposizione coincide con il volume del recipiente.
3)le molecole di un gas non esercitano alcuna forza le une sulle altre tranne al momento dell'urto in cui si manifestano delle intense forze impulsive capaci di modificare modulo e direzione della velocità.
4)gli urti tra le molecole del gas e quelli tra le molecole del gas e le pareti del recipiente che le contiene sono perfettamente elastici, per cui l'energia cinetica si conserva.
In tale modello la temperatura, che è un parametro macroscopico, è legata, dal punto di vista microscopico, alla velocità quadratica media di traslazione, cioè alla media della somma dei quadrati delle molecole. Se due gas hanno temperature diverse significa che le molecole del gas più caldo hanno mediamente velocità maggiore, anche se ci possono essere alcune molecole del gas più freddo aventi velocità maggiore. La pressione di un gas, altro parametro macroscopico, misurabile mediante opportuni strumenti, è legata, dal punto di vista microscopico, all'entità e al numero degli urti delle molecole con le pareti del recipiente. Poichè il numero degli urti è proporzionale al numero delle molecole e l'entità di tali urti è proporzionale all'energia cinetica media dipendente dalla velocità quadratica media, ne consegue che la pressione di un gas dipende dalla quantità di gas presente nel recipiente e dalla temperatura. Nei gas reali invece, il volume di ingombro è diverso da 0 e le forze di interazione non sono nulle, per cui è necessario apportare, teoricamente, degli opportuni correttivi alle equazioni che descrivono i gas al fine di tenere conto di queste caratteristiche.
Leggi dei gas
Esistono La legge di Boyle afferma che il prodotto della pressione per il volume di un gas è costante ad una determinata temperatura.
La legge di Charles coincide come forma alla legge della dilatazione dei liquidi e dei solidi e afferma che a pressione costante il volume aumenta all'aumentare della temperatura.
La legge di Gay-Lussac afferma che a volume costante la pressione aumenta.
Queste 3 leggi possono essere riunite in un unica formula, equazione di stato dei gas ideali: dove:
P=pressione
V=volume
T=temperatura assoluta in gradi Kelvin
m=numero di moli del gas
R=costante universale dei gas ideali
Domande da interrogazione
- Quali sono le principali caratteristiche dei gas rispetto ai solidi e ai liquidi?
- Che cos'è il modello cinetico dei gas e quali sono i suoi capisaldi?
- Come è legata la temperatura alla velocità delle molecole in un gas?
- Qual è la relazione tra pressione, volume e temperatura in un gas?
- Cosa affermano le leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac?
I gas non hanno forma né volume propri e tendono a occupare tutto il volume disponibile in un recipiente attraverso un processo chiamato diffusione, a causa delle deboli forze di interazione tra le molecole (testo).
Il modello cinetico dei gas, introdotto da Maxwell e Boltzmann, descrive il comportamento dei gas ideali. I suoi capisaldi includono molecole di massa uniforme in moto casuale, distanze grandi tra molecole, assenza di forze tra molecole tranne durante gli urti, e urti elastici che conservano l'energia cinetica (testo).
La temperatura è correlata alla velocità quadratica media delle molecole; gas a temperature diverse hanno molecole con velocità media differente, con il gas più caldo che presenta molecole mediamente più veloci (testo).
La pressione di un gas è legata al numero e all'entità degli urti delle molecole con le pareti del recipiente, e dipende dalla quantità di gas e dalla temperatura, come descritto dalle leggi di Boyle, Charles e Gay-Lussac (testo).
La legge di Boyle stabilisce che il prodotto di pressione e volume è costante a temperatura fissa; la legge di Charles afferma che a pressione costante il volume aumenta con la temperatura; la legge di Gay-Lussac indica che a volume costante la pressione aumenta (testo).
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