TERMODINAMICA – cenni
Termodinamica significa letteralmente: “calore - forza”. La Termodinamica è
quel ramo della fisica che si sviluppò nel Settecento, all'epoca della Rivoluzione
Industriale che si occupa di tutti i “sistemi” nei quali si usa il calore come fonte di
alimentazione di una macchina. La Termodinamica trae origine dal desiderio di
sostituire la forza motrice umana con quella delle macchine (inizialmente solo
macchine a vapore), sia per migliorare le condizioni di lavoro sia per aumentare
la produzione di beni visto che il calore del vapore genera una pressione in grado
di far funzionare uno strumento.
Le prime applicazioni furono costruite per rimuovere l'acqua dalle miniere, dopodiché le macchine a vapore si
diffusero in vari settori, dall'estrazione delle materie prime, alla loro lavorazione e al trasporto. Oggi la
termodinamica si occupa dello studio teorico e della progettazione di molte macchine termiche, cioè macchine
che trasformano calore in Lavoro, dai motori per trasporto (marittimo, terrestre e aereo) ai frigoriferi e
condizionatori (ma non solo).
Le grandezze fondamentali in termodinamica sono la pressione del gas, la sua temperatura, il suo volume
e la sua quantità di materia (quest’ultima espressa per lo più in moli)
GAS PERFETTO
Adesso che stiamo studiando le proprietà dei gas, vediamo quali sono le caratteristiche dello stato
gassoso e le leggi che ne regolano le trasformazioni dovute al calore (trasformazioni termodinamiche).
Lo stato gassoso è uno stato della materia caratterizzato da deboli legami molecolari: conseguenza di ciò è
l’estrema possibilità di movimento (mobilità) delle molecole che compongono il gas e quindi la tendenza ad
occupare tutto il volume a disposizione, ed infatti si dice che i gas non hanno né forma né volume proprio. Il
gas di cui ci occuperemo è un gas particolare, che non esiste in natura, a cui viene dato il nome di gas ideale
o perfetto. Un gas si dice ideale quando:
• è costituito da molecole puntiformi, cioè di dimensioni
trascurabili;
• si ritengono nulli i legami molecolari
Praticamente, le due proprietà summenzionate sopra sono soddisfatte
quando un gas è lontano dal suo punto di liquefazione: ciò comporta
che un qualsiasi gas può essere considerato ideale quando purché
sia lontano dal suo punto di liquefazione.
Ne segue che un gas non è mai perfetto o no di “per se stesso”:
dipende dalle condizioni in cui si trova. Il gas metano, che sulla terra
è un gas praticamente perfetto, su Titano, satellite di Saturno, a
causa delle basse temperature si liquefa producendo fiumi ei laghi.
All’opposto, alle temperature stellari qualsiasi composto che sulla
Terra sarebbe liquido o solido si trasforma in gas così caldo da essere
perfetto.
Sulla Terra, tutti i gas della nostra atmosfera sono
praticamente dei gas perfetti. C’è soltanto un’unica eccezione.
Pensaci… pensaci ancora… bravo! Il vapor acqueo! Se è
sufficientemente denso esso a temperatura ambiente condensa
producendo ghiaccio o pioggia: in questo caso non è più trattabile
come gas perfetto e deve essere studiato a parte.
Figura 1. Sopra: Saturno con il suo satellite Titano. Sotto: un lago di metano
liquido fotografato sulla superficie di
Titano nel 2005 dalla sonda Huygens,
atterrata sulla superficie del satellite.
Nota come il livello del lago cambia con
il tempo (riquadri a sinistra.
Leggi del gas perfetto
L’importanza pratica di un gas ideale è che esso segue sempre le solite leggi indipendentemente dalle
sue proprietà chimico-fisiche. In altre parole: qualsiasi gas, indipendentemente dalla sua composizione
chimica, massa, temperatura, tipo di trasformazione a cui è sottoposto, ecc. segue sempre le solite leggi
purché sia lontano dal suo punto di liquefazione.
Le quattro grandezze principali di un gas, volume (V), pressione (p), temperatura (T) e numero di moli
(n) non sono indipendenti ma sono legate fra loro da ben precise equazioni: in altre parole, io non posso
cambiare liberamente ognuna delle quattro grandezze sopracitate senza cambiare anche le altre secondo delle
leggi ben precise. Le equazioni dei gas perfetti sono state trovate nel 1.662 da Boyle e nel 1802 da GayLussac: esse legano le quattro grandezze di cui sopra insieme.
in una trasformazione a temperatura costante (isoterma), il prodotto pressione x volume
rimane costante (Legge di Boyle-Mariotte)
In formule: PV = cost
(T cost.)
in una trasformazione a pressione costante (isobara) la pressione è proporzionale alla
temperatura in Kelvin (1° Legge di Gay-Lussac)
In formule: p1/T1 = p2/T2 (V cost) , con la temperatura espressa in Kelvin.
in una trasformazione a volume costante (isocora) la pressione è proporzionale alla
temperature in Kelvin (2° Legge di Gay-Lussac)
In formule: V1/T1 = V2/T2 (p cost) , con la temperatura espressa in Kelvin.
fissata temperatura e volume , la pressione è direttamente proporzionale al numero di
moli (questa legge non ha un suo nome: chiamiamola “Legge delle moli”)
In formule: p n (T e V cost)
Tutte queste quattro leggi sono raggruppabili in un’unica equazione che lega insieme p,V,T,n: tale equazione
si chiama equazione di stato dei gas perfetti:
equazione di stato dei gas perfetti
pV = nRT , T in kelvin
R è la costante dei gas perfetti, il cui valore risulta essere R = 8,314472 (pressione in
Pascal, volume in m3) o alternativamente R=0,08205784 (pressione in atm, volume in litri=dm3)
Le due leggi di Gay-Lussac sono analizzate con un minimo di dettaglio negli appunti “Leggi di Gay-Lussac”. La
dimostrazione della legge generale dei gas perfetti è dimostrata negli appunti “EQUAZIONE DI STATO DEL
GAS PERFETTO”. Un video che riassume e descrive le leggi del gas perfetto è mostrato a questo indirizzo:
https://www.youtube.com/watch?v=OkMiwmeJVYk
