TEORIA CINETICA DEI GAS

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1 TEORIA CINETICA DEI GAS La teoria cinetica dei gas è corrispondente con, e infatti prevede, le proprietà dei gas. Nella materia gassosa, gli atomi o le molecole sono separati da grandi distanze e sono liberi di muoversi tra di loro, per cui i gas sono comprimibili. Ad esempio, quando gonfiamo un pneumatico di un automobile, spingiamo più atomi o molecole nello stesso spazio, comprimendoli e rendendo così più duro il pneumatico. Inoltre, gli atomi o le molecole dei gas assumono sempre il volume e la forma del contenitore stesso. Presentano interazioni reciproche pressoché nulle o, più precisamente, le loro interazioni sono trascurabili. Collidono tra di loro e con le pareti del loro contenitore. L ultima proprietà è quella che hanno una densità minore rispetto ai solidi e ai liquidi, perché vi è molto spazio tra gli atomi o le molecole. Ad esempio, se la coca cola contenuta in una lattina da 350 ml, fosse convertita in vapore (acqua gassosa), questo occuperebbe un volume di 595 l (l equivalente di 1700 lattine). CONVERSIONE DEL LIQUIDO IN GAS 1 lattina 1700 lattine Dopo aver spiegato le varie proprietà dei gas, possiamo dire che la teoria cinetica è un modello per studiare i vari comportamenti dei gas. Questa teoria prevede correttamente il comportamento di molti gas in diverse condizioni. a cura di Stefania Francavilla Pagina 1

2 La teoria cinetica ha le seguenti caratteristiche: - un gas è costituito da un insieme di particelle (molecole o atomi) in continuo movimento rettilineo; - tra le particelle di gas non c è nessuna attrazione e non si respingono tra di loro; - tra le particelle di gas c è molto spazio vuoto, in rapporto alle dimensioni delle particelle stesse; - l energia cinetica media delle particelle, cioè l energia associata al movimento, è proporzionale alla temperatura. Questo significa che, quando la temperatura aumenta, le particelle si muovono più velocemente e hanno quindi maggiore energia cinetica. L'effetto complessivo degli urti delle singole molecole del gas contro le pareti del recipiente che lo contiene rappresenta la pressione del gas. Più precisamente, la pressione di un gas in un contenitore è proporzionale al numero di urti delle particelle sull'unità di superficie e nell'unità di tempo, alla loro massa e alla loro velocità media. La pressione esercitata da un campione di gas è definita come la forza per unità di area che risulta dalle collisioni di particelle di gas sulle superfici circostanti: PRESSIONE= FORZA AREA La pressione esercitata da un gas dipende da molti fattori, come il numero di particelle contenuto in un volume definito di esso. PRESSIONE MINORE PRESSIONE MAGGIORE a cura di Stefania Francavilla Pagina 2

3 Minore è il numero di particelle di gas, più bassa è la pressione. Ad esempio, è causa della pressione che si può usare una cannuccia per bere. Le cannucce funzionano perché, aspirando si crea una differenza di pressione tra l interno e l esterno di esse. Si immagini la pressione come una forza esercitata dalle molecole di un gas su un area unitaria quando esse collidono sulle superfici che le circondano. Così come la forza esercitata da una palla che rimbalza su un piano, allo stesso modo una molecola esercita una forza quando collide su una superficie. Quando immergiamo una cannuccia in un bicchiere con una bibita, la pressione interna e quella esterna sono uguali, e quindi la bibita non riesce a salire all interno della cannuccia stessa. Ma quando si aspira, si rimuove parte dell aria contenuta all interno della cannuccia, facendo così diminuire il numero di collisioni e quindi la pressione all interno di essa. Il risultato è una differenza di pressione, cioè la pressione esterna è maggiore della pressione interna. Questa maggiore pressione esterna spinge il liquido verso l alto, lungo la cannuccia. L unità di misura della pressione più comune è l atmosfera (atm), che indica la pressione atmosferica media a livello del mare. L unità di misura della pressione nel Sistema Internazionale SI è il Pascal (Pa), definito come 1 newton (N) per metro quadrato. Una terza unità di misura della pressione è il millimetro di mercurio (mmhg), che deriva dal modo in cui la pressione viene misurata in un barometro. Il barometro è costituito da un tubo di vetro chiuso a un'estremità riempito di mercurio, posto in una vaschetta, anch'essa contenente mercurio, in modo da creare un sistema di vasi comunicanti. In un barometro, se la pressione aumenta, il livello del mercurio nella colonna sale, se la pressione invece diminuisce, il livello del mercurio nella colonna scende. a cura di Stefania Francavilla Pagina 3

4 VOLUME (L) VOLUME (L) Un millimetro di mercurio è anche chiamato torr, dal fisico italiano Evangelista Torricelli che inventò il barometro. La pressione di un gas dipende in parte dal suo volume. Se la temperatura e la quantità di gas sono costanti, la pressione di un gas aumenta se il volume diminuisce, ma se la pressione diminuisce il volume aumenta. Questa relazione tra il volume e la pressione fu scoperta da Robert Boyle e formulò un legge chiamata Legge di Boyle: il volume di un gas e la sua pressione sono inversamente proporzionali. Questo significa che se due quantità sono inversamente proporzionali, quando una di essa diminuisce, l altra aumenta e viceversa. Se il volume di un campione di gas diminuisce, lo stesso numero di particelle di gas è costretto in un volume più piccolo, e ciò causa un aumento maggiore di collisioni sulle pareti del contenitore, aumentando quindi la pressione. Ci siamo mai chiesti perché l aria calda tende a salire verso l alto? Questo fenomeno avviene perché il volume di un campione di gas con una pressione costante aumenta con l aumentare della temperatura. Se la quantità di gas, cioè la sua massa, rimane costante, il riscaldamento diminuisce la sua densità, perché la densità corrisponde alla massa diviso il volume. Il volume di un gas aumenta quando aumenta la temperatura, quindi notiamo che la temperatura e il volume sono linearmente correlati. Se si rappresenta sul grafico due variabili linearmente correlate, l una in funzione dell altra, si può notare che si ottiene una linea retta. a cura di Stefania Francavilla Pagina 4

5 Il primo scienziato che studiò la relazione tra il volume di un gas e la sua temperatura fu Jacques Charles, un matematico fisico francese. Formulò la Legge di Charles: il volume (V) di un gas e la sua temperatura in kelvin (T) sono direttamente proporzionali. Quindi se due variabili sono direttamente proporzionali, all aumento di una di esse di un certo fattore corrispondente l aumento dell altra dello stesso fattore. Per esempio, quando la temperatura di un campione di gas in kelvin raddoppia, anche il suo volume raddoppia; se la temperatura si triplica, anche il volume si triplica, e così via. Questa relazione tra temperatura e volume di un gas è il risultato della teoria cinetica molecolare. a cura di Stefania Francavilla Pagina 5