I Gas. Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine 1
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1 I Gas Universita' di Udine 1
2 Un po di storia Nel 1600 (Galilei muore nel 1642) si capisce che i gas non sono eterei Torricelli ( ) crea il vuoto Newton diceva che non poteva esistere in Natura Si studiano nel contempo i fenomeni termici Cosa succede ai corpi quando si scaldano o si raffreddano? Come si può misurare la nostra sensazione di caldo e freddo? Fine 600, prima metà del 700 Universita' di Udine 2
3 Cosa e la Temperatura? Qualitativamente, e la proprieta di un oggetto che determina la sensazione di caldo o di freddo quando lo tocchiamo. E quella grandezza che viene misurata con un termometro. E una misura dell energia cinetica media molecolare. Universita' di Udine 3
4 Calore e Temperatura Prima del XIX secolo, si credeva che il senso di caldo o di freddo fosse determinato da quanto calore era contenuto in un oggetto. Non vi era distinzione tra calore e temperatura, e il calore era considerato un fluido che scorreva da un oggetto caldo ad uno freddo (il calorico). Universita' di Udine 4
5 Temperatura due persone diverse possono definire caldo o freddo lo stesso oggetto tuttavia saranno entrambe concordi nel ritenere dell acqua bollente piu calda del ghiaccio. Possiamo rendere quantitativa questa osservazione, cercando una proprieta fisica che varia in modo regolare passando dal freddo al caldo Universita' di Udine 5
6 Proprieta termiche Le proprietà termica sono proprietà che dipendono in modo regolare dalla Temperatura Espansione termica Resistenza elettrica Colore (emissione elettromagnetica) Universita' di Udine 6
7 Espansione Termica Universita' di Udine 7
8 Espansione Termica L o =L(T o ) dl dl L( T) = L( T0 ) + ( T To ) + L dt L conα( T) L o + L o o 1 L o 1 L L α T dl dt dl dt T = T T = T o o T L L o 1 T DL = L o a DT α varia poco con la temperatura per la maggior parte dei solidi. Universita' di Udine 8
9 Espansione Termica Universita' di Udine 9
10 Espansione Termica Universita' di Udine 10
11 Il Termometro Galileo nel 1610 descrive un termoscopio per misurare la temperatura. Tuttavia non vi era un valore standard di riferimento. Nel 1641 viene costruito, per Ferdinando II Granduca di Toscana, il primo termometro ad alcool in vetro. Vi erano segnate 50 tacche arbitrarie Nel 1702, Roemer suggerisce l uso di due valori fissi standard su cui basare una scala di temperature Universita' di Udine 11
12 Scale di Temperatura Gabriel Daniel Fahrenheit nel 1724 inventa il termometro a mercurio (che possiede una grande e regolare espansione termica) I due punti fissi sono 0:la temperatura di una miscela di cloruro d ammonio e ghiaccio 100: la temperatura di un corpo umano in salute In seguito Fahrenheit modificò la scala in modo tale che la temperatura di fusione del ghiaccio fosse 32 F e il punto di bollizione dell acqua 212 F Universita' di Udine 12
13 Scale di Temperatura Nel 1745 Anders Celsius propone una scala divisa in 100 gradi basata sulla temperatura di fusione del ghiaccio (0 C) e di ebollizione dell acqua (100 C) Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dell acqua, fissato a 0.01 C La scala Kelvin pone a K il punto triplo Universita' di Udine 13
14 Scale di Temperatura Punto di ebollizione Fahrenheit Celsius Kelvin Punto di congelamento kelvin = 1 grado Celsius Universita' di Udine 14
15 I fenomeni termici e la misura della temperatura Si inventano quindi i termometri per misurare qualcosa che non conosciamo e che definiamo con la stessa ricetta della misura Cos è la temperatura? Ciò che si misura col termometro! Universita' di Udine 15
16 Termometri Si sfrutta una proprietà della materia Nel nostro caso la dilatazione dei solidi e dei liquidi Si definiscono due stati riproducibili ad es. ghiaccio fondente ed acqua in ebollizione Si danno delle temperature convenzionali ai due stati ad es. 0 C e 100 C, ma anche 0 R e 80 R Universita' di Udine 16
17 Termometri Si divide l intervallo in parti uguali Si sceglie una scala lineare per semplicità A questo punto si ha in mano un attrezzo per misurare il solito termometro a bulbo, magari Oggi decine di sistemi diversi per misurare la temperatura come si misurano temperature bassissime? E altissime? Ed in oggetti piccolissimi? Magari la temperatura di una zanzara o di una cellula? Universita' di Udine 17
18 Termoscopi e termometri Legalmente ed internazionalmente si usa il termometro a gas perfetto Universita' di Udine 18
19 Temperature nell Universo Universita' di Udine 19
20 Gas e gas perfetti Universita' di Udine 20
21 Densita Densita - massa per unita di volume Si misura in g/cm 3 ρ = M V Bassa densita Alta densita Universita' di Udine 21
22 Definizione di Pressione Pressione = Forza / Area = F/A P unita SI : 1 Nt/m 2 = 1 Pascal (Pa) 1 Pa = N/m 2 = (kg m/s 2 )/m 2 Universita' di Udine 22
23 Interpretazione Molecolare Le molecole di un gas esercitano una forza sulle pareti del contenitore Le molecole urtano le pareti interne del recipiente. Un numero enorme di urti nell unita di tempo viene misurato come pressione 23
24 Pressione Atmosferica La pressione atmosferica è la forza esercitata dall atmosfera sopra di noi. 1 atm è la pressione media al livello del mare È una misura del peso dell atmosfera sopra di noi Universita' di Udine 24
25 Pressione Supponiamo che su una superficie agisca una forza df Definiremo come pressione sulla superficie il vettore P df = ds vers ds ( ) ds Il vettore è perpendicolare alla superficie In genere esistono anche forze tangenti ds attenzione: ci possono essere anche pressioni negative... Universita' di Udine 25
26 Pressione 1Pa = 1Nm 2 La pressione si misura nel SI in pascal atm :1,03kg cm mm bar psi Hg 5 = = : = 10 torr Pa p e poi in molte altre unità 2 :1/760 ( ) 100kPa atm pounds per squareinch libbre peso per pollicequadro Universita' di Udine 26
27 Pressione Controllate (moltiplicando per 1 ) 1atm= 101,3 kpa 1atm= 14,70 psi 1atm= 1010mbar 1bar Universita' di Udine 27
28 Proprietà di un Gas Può essere compresso facilmente Esercita una pressione sul recipiente Occupa tutto il volume disponibile Non ha forma propria nè volume proprio Due gas diffondono facilmente uno nell altro Tutti i gas hanno basse densità aria g/ml acqua 1.00 g/ml ferro 7.9 g/ml Universita' di Udine 28
29 Le Leggi dei Gas Gli esperimenti mostrano che 4 variabili (di cui solo 3 indipendenti) sono sufficienti a descrivere completamente il comportamento all equilibrio di un gas. Pressione (P) Volume (V) Temperatura (T) Numero di particelle (n) p = f ( n, V, T ) Universita' di Udine 29
30 La Legge di Boyle Nel 1662, Robert Boyle scopre che il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione V 1 P (T,n costanti)
31 La Legge di Boyle Universita' di Udine 31
32 La Legge di Boyle A Temperatura costante pv = costante p 1 V 1 = p 2 V 2 Robert Boyle Figlio del Conte di Cork, Irlanda. Universita' di Udine 32
33 Interpretazione Molecolare Se il numero di molecole raddoppia, nell unità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia. Se la pressione e bassa, le molecole sono lontane e non si influenzano, per cui la loro identità è ininfluente Universita' di Udine 33
34 Interpretazione Molecolare Se il volume si dimezza, nell unità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia. Universita' di Udine 34
35 Grafico della Legge di Boyle Universita' di Udine 35
36 Grafico della Legge di Boyle Universita' di Udine 36
37 Legge di Charles-Gay Lussac A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura Jacques Charles Isolò il Boro Studiò gas e mongolfiere
38 Legge di Charles-Gay Lussac Tutti i grafici predicono V = 0 per T = C Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante = Zero Assoluto Universita' di Udine 38
39 La Scala Kelvin di Temperatura Dato che tutti i grafici della legge di Charles-Gay Lussac intersecano l asse delle temperature a C, Lord Kelvin propose di usare questo valore come zero di una scala assoluta di temperature: la scala Kelvin. 0 Kelvin (0 K) è la temperatura dove il volume di un gas ideale è nullo, e cessa ogni movimento molecolare. 1 K = 1 C Universita' di Udine 39
40 La Legge di Charles I palloncini, messi in azoto liquido a 77 K diminuiscono il loro volume. A temperatura ambiente, gradualmente riprendono il loro volume. Universita' di Udine 40
41 Legge di Avogadro Il volume di un gas, a T e P costanti,, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas. V n (T,p costanti) Amedeo Avogadro 1811 Uguali volumi di gas a stessi T e P, contengono un egual numero di molecole.. Il volume molare e lo stesso. Universita' di Udine 41
42 Equazione di Stato dei Gas Ideali Riassumiamo V 1/P; legge di Boyle V T; legge di Charles Gay Lussac V n; legge di Avogadro Possiamo combinare queste relazioni ed ottenere una unica legge: V nt/p pv = nrt R = Costante universale dei Gas Universita' di Udine 42
43 pv = nrt Le Temperature DEVONO ESSERE ESPRESSE IN KELVIN!! Universita' di Udine 43
44 pv = nrt Universita' di Udine 44
45 Modello del Gas Ideale 1. Le molecole che compongono il gas ideale vengono considerate puntiformi 2. Le molecole non interagiscono fra loro Cos e un Gas Ideale? E un Gas che obbedisce alla equazione di stato dei gas Ideali Universita' di Udine 45
46 Modello del Gas Ideale E uno dei rarissimi casi in cui l equazione di stato e conosciuta analiticamente E utile in pratica, come approssimazione di gas reali E utile teoricamente per sviluppare teorie piu sofisticate Moltissimi sistemi (ad esempio il Sole) sono in prima approssimazione, dei gas ideali Universita' di Udine 46
47 La Costante dei Gas R R = J / mol K = J mol -1 K -1 R = L atm mol -1 K -1 R = torr L mol -1 K -1 Universita' di Udine 47
48 Condizioni Standard Condizioni Ambientali Standard di T e P (SATP) Temperatura: 25 C = K Pressione: 1 bar Il volume molare di un gas e V m = L Condizioni Normali (vecchie STP, non piu usate) Temperatura: 0 C = K Pressione: 1 atm Universita' di Udine 48 Il volume molare di un gas ideale e V m = L
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