7 Legge di Boyle e Comportamento dei Gas

Termodinamica

• La termodinamica studia il calore e le sue trasformazioni in altre forme di energia.
• La temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle molecole di un oggetto.
• Lo strumento per misurare la temperatura è il termometro.
• Prima del XIX secolo, calore e temperatura erano considerati la stessa cosa.
• Il calore veniva visto come un fluido chiamato "calorico" che scorreva dal corpo caldo a quello freddo.
• L'espansione termica è la variazione di dimensione di un corpo a causa di cambiamenti della temperatura.
• L'equazione per la dilatazione lineare è: ΔL = L₀ α ΔT.

Il Termometro

• Galileo inventò un "termoscopio" per misurare la temperatura, ma non aveva uno standard di riferimento.
• Nel 1641, un termometro ad alcool in vetro con 50 tacche arbitrarie fu costruito su commissione del Granduca di Toscana.
• Nel 1702, Roemer suggerì l'uso di due valori fissi standard per una scala di temperatura.
• Fahrenheit inventò un termometro a mercurio con due punti fissi nel 1724: la temperatura di una miscela di cloruro di ammonio e ghiaccio, e la temperatura di un corpo umano sano.
• In seguito, Fahrenheit modificò la scala in modo che il punto di fusione del ghiaccio fosse a 32°F e l'ebollizione dell'acqua a 212°F.
• Nel 1745, Celsius propose una scala divisa in 100 gradi con due punti di riferimento: 0°C (punto di fusione del ghiaccio) e 100°C (punto di ebollizione dell'acqua).
• Nel 1933, il punto triplo dell'acqua (0,01°C) fu scelto come punto fisso.
• La scala Kelvin pone a 273,15°K il punto triplo dell'acqua.

Gas e Gas Perfetti

• I gas hanno la capacità di essere facilmente compressi.
• Essi esercitano una pressione sulle pareti del recipiente che li contiene.
• I gas occupano tutto il volume disponibile.
• I gas non possiedono forma o volume propri.
• I gas si diffondono facilmente uno nell'altro.
• Tutti i gas hanno la stessa densità.
• Le leggi dei gas descrivono il comportamento dei gas all'equilibrio.
• Le principali variabili utilizzate nelle leggi dei gas includono pressione (P), volume (V), temperatura (T) e numero di particelle (n).

Legge di Boyle

• Robert Boyle nel 1662 scoprì che il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione a temperatura e numero di particelle costanti.
• La legge di Boyle si esprime come pV = costante (a temperatura costante).
• Molecolarmente, la diminuzione del volume raddoppia le collisioni delle particelle contro le pareti, determinando un aumento di pressione.

Legge di Charles-Gay Lussac

• A pressione costante il volume di un gas è direttamente proporzionale alla temperatura.
• La legge di Charles-Gay Lussac si esprime come V/T = costante.
• Tutte le rette convergono a volume 0 alla temperatura di -273,15°C, che è lo zero assoluto.

La Scala Kelvin

• Basata sullo zero assoluto come punto di riferimento, la scala Kelvin è una scala assoluta di temperatura.
• Lo zero Kelvin corrisponde alla temperatura in cui il volume di un gas ideale è nullo e cessa ogni movimento molecolare.

Legge di Avogadro

• Il volume di un gas, a temperatura e pressione costante, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas.
• Uguali volumi di gas, nelle stesse condizioni di temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole.

Equazione di stato dei gas ideali

• Combinando le leggi di Boyle, Charles-Gay Lussac e Avogadro, si ottiene l'equazione di stato dei gas ideali: pV = nRT, con R costante universale dei gas.

Calore e Temperatura

• La temperatura è correlata al movimento casuale delle molecole, mentre il calore è il flusso di energia interna da un corpo a un altro. Il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo sino al raggiungimento dell'equilibrio termico.
• I processi in cui il sistema cede calore all'ambiente sono detti esotermici.
• I processi in cui il sistema assorbe calore dall'ambiente sono detti endotermici.
• Il calore è scambiato con l'ambiente tramite scambio di calore o lavoro.
• Il calore specifico è costante per un determinato corpo.
• L'energia interna (U) di un corpo è una funzione di pressione (p), volume (V) e temperatura (T). ∆U = Q + L

Unità di misura del calore

• La caloria è l'unità di misura del calore, definita come la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1 kg di acqua di 1 °C.
• 1 caloria equivale a 4,186 joule.

Tipi di Trasformazioni

• Trasformazione isoterma: temperatura costante. [ΔU = 0; Q = L]
• Trasformazione isobara: pressione costante.
• Trasformazione isocora: volume costante. [L = 0; AU = Q]
• Trasformazione adiabatica: assenza di scambio di calore con l'esterno. [Q = 0; AU = -L]
• Trasformazione ciclica: il sistema ritorna allo stato iniziale. [AU = 0; Q = L]

Conduzione, Convezione, Irraggiamento

• Conduzione: trasferimento di calore per contatto diretto.
• Convezione: trasferimento di calore attraverso il movimento di un fluido.
• Irraggiamento: trasferimento di calore tramite onde elettromagnetiche.

Equilibrio Termico

• Due sistemi raggiungono l'equilibrio termico quando hanno la stessa temperatura.
• L'equilibrio termico si stabilisce quando la temperatura dei due sistemi viene livellata.

Principio Zero della Termodinamica

• Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sistema sono anche in equilibrio termico tra loro.

Cambiamenti di Stato

• Cambiamenti di stato: processi fisici che comportano un cambiamento di fase (solido, liquido, gassoso).
• Calore latente di cambiamento di fase: energia necessaria per cambiare la fase di una sostanza senza un cambiamento di temperatura.
• Il calore latente di fusione è l'energia necessaria perché una sostanza passi da solida a liquida.
• Il calore latente di evaporazione è l'energia necessaria perché una sostanza passi da liquida a gassosa.