Stati della materia

Stati della materia
STATI DI
AGGREGAZIONE
DELLA MATERIA E
GAS PERFETTI
• Cosa sono gli stati della
materia?
• Gli stati della materia sono come si
presenta la materia nell’universo fisico
e dipendono dalla temperatura e dalla
pressione.
Prof. Crosetto Silvio
2
Prof. Crosetto Silvio
Stati di aggregazione della materia
Esempio
Gli stati di aggregazione
della materia sono come
si presentano legate tra
di loro le molecole che
costituiscono un
determinato materiale e
dipendono dalla
temperatura e dalla
pressione.
Si chiamano passaggi di
stato le trasformazioni
fisiche della materia che
fanno mutare il suo stato
di aggregazione.
Quando si fa
bollire l’acqua si
osserva dopo un
po’ di tempo che
l’acqua
scompare.
L’acqua
contenuta nel
recipiente
cambia stato
fisico, passa
dallo stato
liquido allo
stato aeriforme.
Prof. Crosetto Silvio
3
Prof. Crosetto Silvio
4
Fusione e solidificazione
Esempio
La fusione è il passaggio di
una sostanza dallo stato
solido allo stato liquido.
La solidificazione è il
passaggio di una sostanza
dallo stato liquido allo stato
solido.
La fusione avviene tramite
somministrazione di calore,
mentre la solidificazione
avviene tramite sottrazione
di calore che viene
restituito allo spazio
circostante.
In inverno se la
temperatura passa
sotto il punto di
congelamento
dell’acqua i laghi
gelano, tuttavia il
processo non è
istantaneo ma
richiede un po’ di
tempo, perché la
solidificazione
dell’acqua avviene
a temperatura
costante e richiede
calore dall’esterno.
Prof. Crosetto Silvio
5
Prof. Crosetto Silvio
6
1
Fusione e solidificazione
Fusione e solidificazione
Durante la fusione e la
solidificazione la sostanza
rimane alla stessa
temperatura, questo
fenomeno si verifica fino a
quando persistono sia lo
stato liquido sia lo stato
solido.
Molte sostanze fondono a
un preciso valore di
temperatura, caratteristico
della sostanza, chiamato
punto di fusione, punto di
fusione e di solidificazione
coincidono.
Il calore latente di fusione è la
quantità di calore necessaria
per fondere completamente 1
Kg di sostanza alla temperatura
di fusione.
Fusione brusca: fusione dei
solidi cristallini, fondono ad un
preciso valore di temperatura.
Fusione pastosa: le sostanze
amorfe non hanno un preciso
punto di fusione e non
rimangono alla stessa
temperatura durante ilo
processo di fusione.
Prof. Crosetto Silvio
7
Esempio
Prof. Crosetto Silvio
8
Esempio
Quando si
rovescia sulla
mano una
goccia di alcool
o di gas liquido
la sostanza
evapora molto
velocemente e
procura una
sensazione di
freddo, perché
ha assorbito
calore dalla
pelle.
L’evaporazione
è un fenomeno
che viene usato
nelle saline per
ricavare il sale
dall’acqua di
mare. Vengono
riempite delle
vasche e l’acqua
viene fatta
lentamente
evaporare, in
seguito si
raccoglie il sale
come deposito.
Prof. Crosetto Silvio
9
Prof. Crosetto Silvio
Vaporizzazione e condensazione
Vaporizzazione e condensazione
La vaporizzazione è il
passaggio di una sostanza
dallo stato liquido allo stato
aeriforme.
La condensazione è il
passaggio di una sostanza
dallo stato aeriforme allo stato
liquido.
La vaporizzazione può avvenire
secondo due modalità diverse,
o per evaporazione, ossia poco
alla volta le molecole più
superificiali passano dallo stato
liquido allo stato di vapore
oppure per ebollizione, in
questo caso tutta la massa del
liquido passa allo stato di
vapore.
Prof. Crosetto Silvio
10
Ogni liquido a pressione
costante bolle sempre alla
stessa temperatura chiamata
punto di ebollizione. Durante
l’ebollizione la temperatura del
liquido rimane costante.
Evaporazione e ebollizione
richiedono calore dall’ambiente
per avvenire, mentre la
condensazione genera calore.
Si chiama calore latente di
vaporizzazione di un liquido
la quantità di calore che deve
essere somministrata a una
massa unitaria di liquido
affinché essa si trasformi in
vapore.
11
Prof. Crosetto Silvio
12
2
Sublimazione
Esempio
Si chiama sublimazione
il passaggio di una
sostanza dallo stato
solido allo stato
aeriforme.
Si chiama brinamento il
passaggio dallo stato
aeriforme allo stato
solido.
Durante la sublimazione
la sostanza assorbe
calore dall’esterno,
mentre durante il
brinamento cede calore.
Per evitare che i
vestiti siano
divorati dalle
tarme negli
armadi si usa la
naftalina, una
sostanza che
emana un odore
pungente,
perché sublima,
ossia passa
direttamente
dallo stato
solido allo stato
gassoso.
Prof. Crosetto Silvio
13
Prof. Crosetto Silvio
14
Cambiamenti di stato dal punto di
vista microscopico
Esempio
Dal punto di vista microscopico
all’aumentare della temperatura
aumenta anche l’energia cinetica media
molecolare. A un certo punto tale energia
rompe i legami tra le molecole che
sostengono lo stato solido e la sostanza
passa allo stato liquido. Il calore latente
di fusione è la quantità di calore
necessaria per sostenere questo
processo.
Lo stato liquido
è direttamente
legato alla
pressione, se la
pressione è
troppo bassa
non esiste. Su
Marte il ghiaccio
contenuto nelle
calotte glaciali
sublima durante
l’estate per
brinare poi
durante
l’inverno.
Lo stato liquido è in equilibrio con la
pressione. La pressione deve essere
tale da sostenere alcuni legami tra le
molecole. Nel vuoto esistono
soltanto lo stato solido e lo stato
aeriforme.
Prof. Crosetto Silvio
15
Prof. Crosetto Silvio
16
Esempio
Gas
• Cosa è un gas ?
• Un gas è una sostanza o una miscela di
sostante allo stato gassoso, ossia le
sue molecole non sono legate tra di
loro.
17
Prof. Crosetto Silvio
L’aria è una
miscela gassosa
composta da
azoto, ossigeno
e altri gas. Per
la nostra vita è
fondamentale
l’ossigeno che
introduciamo
nel nostro
organismo
tramite la
respirazione.
Prof. Crosetto Silvio
18
3
Stato gassoso
Trasformazione isoterma
Un gas non ha né
volume né forma
propria.
Lo stato fisico di un gas
è caratterizzato, oltre
alla massa, da tre
grandezze: volume,
pressione e temperatura
che si chiamano variabili
di stato del gas.
Si chiamano
trasformazioni di stato
di un gas quei processi
che provocano un
cambiamento dei valori
delle variabili di stato.
Per trasformazione isoterma
si intende una
trasformazione di stato a
temperatura costante.
Per una trasformazione
isoterma vale la legge di
Boyle-Mariotte: il volume del
gas varia in modo
inversamente proporzionale
alla sua pressione.
P⋅V = k dove P = pressione, V
= volume e k è una costante
di proporzionalità che varia
con la temperatura, in
particolare aumenta
all’aumentare della
temperatura.
Prof. Crosetto Silvio
19
Trasformazione isocora
Prof. Crosetto Silvio
20
Trasformazione isobara
Per trasformazione isocora
si intende una
trasformazione di stato a
volume costante.
Per una trasformazione
isocora vale la legge di
Gay-Lussac : la pressione
del gas varia in modo
direttamente
proporzionale alla sua
temperatura.
P = Po ⋅ ( 1 + ( 1/273 )⋅ t )
dove P = pressione, Po =
pressione iniziale e t =
temperatura espressa in
gradi celsius.
Per trasformazione isobara
si intende una
trasformazione di stato a
pressione costante.
Per una trasformazione
isobara vale la legge di
Gay-Lussac : il volume del
gas varia in modo
direttamente
proporzionale alla sua
temperatura.
V = Vo ⋅ ( 1 + ( 1/273 )⋅ t )
dove V = pressione, Vo =
pressione iniziale e t =
temperatura espressa in
gradi celsius.
Prof. Crosetto Silvio
21
Gas perfetto
22
Equazione di stato dei gas perfetti
Un gas perfetto rispetta la
legge di Boyle e Gay Lussac.
In un gas perfetto il volume
delle molecole e le forze
attrattive tra di loro sono
trascurabili.
I gas perfetti sono un modello
molto utile per studiare il
comportamento dei gas ma
sono un’approssimazione del
comportamento reale.
Gli unici gas che si
comportano come i gas
perfetti sono i gas nobili: elio,
neon, argon, kripton, radon,
xenon.
Prof. Crosetto Silvio
Prof. Crosetto Silvio
23
Ponendo insieme la legge di
Boyle e la legge di Gay Lussac
si ottiene l’equazione di stato
dei gas perfetti.
P⋅V = n ⋅R⋅T dove P =
pressione, T = temperatura in
gradi kelvin, n = numero di
moli = massa ( g ) / peso
molecolare.
R = costante di stato dei gas
perfetti = 8,314 J / ( mol ⋅ k ).
La mole è un quantitativo di
sostanza che contiene un
numero fisso di molecole
ossia N = n° avogadro =
6,023⋅ 1023 .
Prof. Crosetto Silvio
24
4
Pressione, temperatura e teoria
cinetica dei gas perfetti
Teoria cinetica dei gas perfetti
Il modello cinetico dei gas perfetti
consente di descrivere il
comportamento di un gas tramite
le proprietà dello loro molecole.
Come modello delle molecole e
della pressione si usa:
Le molecole sono punti materiali
privi di dimensione ma dotati di
massa e in continuo movimento,
con velocità v all’interno del
recipiente che contiene il gas.
La pressione di un gas contenuto
in un recipiente è dovuta agli urti
che le particelle, cioè le molecole,
compiono contro le pareti del
recipiente.
Prof. Crosetto Silvio
25
Nel modello della teoria cinetica
dei gas si giunge alla conclusione
per la pressione:
P = 1/3 ⋅d ⋅ v2 dove P = pressione,
d = densità del gas e v = velocità
media delle molecole.
V = √ 3P / d.
Per quanto riguarda la
temperatura invece:
EC = ½ ⋅ M ⋅ v 2
Sostituendo usando l’espressione
per la pressione e l’equazione di
stato dei gas perfetti si ottiene:
EC = 3/2 ⋅P⋅V = 3/2 ⋅R⋅T dove M =
massa molare e T = temperatura
Prof. Crosetto Silvio
in gradi kelvin.
26
Energia interna di un gas
Si chiama energia interna di un
gas la somma delle energie
cinetiche di tutte le sue molecole.
L’energia interna di un sistema
materiale è l’energia che compete
alle particelle che lo costituiscono,
e si manifesta come energia
cinetica associata ai movimenti
delle molecole e come energia
potenziale associata alle forze di
coesione molecolare.
Per quanto riguarda i gas perfetti,
avendo trascurato tutte le forze di
coesione, l’energia interna
dipende solamente dalla
temperatura assoluta del gas.
Prof. Crosetto Silvio
27
5