Lo stato gassoso della materia intorno a noi è una delle tre forme comuni di materia. In fisica, questo stato fluido di aggregazione è solitamente considerato nell'approssimazione di un gas ideale. Usando questa approssimazione, descriviamo nell'articolo i possibili isoprocessi nei gas.
Gas ideale e l'equazione universale per descriverlo
Un gas ideale è uno le cui particelle non hanno dimensioni e non interagiscono tra loro. Ovviamente, non esiste un solo gas che soddisfi esattamente queste condizioni, poiché anche l'atomo più piccolo, l'idrogeno, ha una certa dimensione. Inoltre, anche tra atomi di gas nobili neutri, esiste una debole interazione di van der Waals. Sorge allora la domanda: in quali casi si possono trascurare la dimensione delle particelle di gas e l'interazione tra di esse? La risposta a questa domanda sarà l'osservanza delle seguenti condizioni fisico-chimiche:
- bassa pressione (circa 1 atmosfera e meno);
- alte temperature (intorno alla temperatura ambiente e oltre);
- inerzia chimica di molecole e atomigas.
Se almeno una delle condizioni non è soddisfatta, il gas dovrebbe essere considerato reale e descritto da una speciale equazione di van der Waals.
L'equazione di Mendeleev-Clapeyron deve essere considerata prima di studiare gli isoprocessi. L'equazione del gas ideale è il suo secondo nome. Ha la seguente notazione:
PV=nRT
Cioè, collega tre parametri termodinamici: pressione P, temperatura T e volume V, nonché la quantità n della sostanza. Il simbolo R qui indica la costante del gas, è uguale a 8.314 J / (Kmol).
Cosa sono gli isoprocessi nei gas?
Questi processi sono intesi come transizioni tra due diversi stati del gas (iniziale e finale), a seguito dei quali alcune quantità si conservano e altre cambiano. Esistono tre tipi di isoprocesso nei gas:
- isotermico;
- isobarico;
- isocorico.
È importante notare che tutti sono stati studiati sperimentalmente e descritti nel periodo che va dalla seconda metà del 17° secolo agli anni '30 del 19° secolo. Sulla base di questi risultati sperimentali, Émile Clapeyron nel 1834 derivò un'equazione universale per i gas. Questo articolo è costruito al contrario: applicando l'equazione di stato, otteniamo le formule per gli isoprocessi nei gas ideali.
Transizione a temperatura costante
Si chiama processo isotermico. Dall'equazione di stato di un gas ideale segue che a temperatura assoluta costante in un sistema chiuso il prodotto deve rimanere costanteda volume a pressione, ovvero:
PV=const
Questa relazione è stata effettivamente osservata da Robert Boyle e Edm Mariotte nella seconda metà del 17° secolo, quindi l'uguaglianza attualmente registrata porta i loro nomi.
Le dipendenze funzionali P(V) o V(P), espresse graficamente, sembrano iperboli. Maggiore è la temperatura alla quale viene effettuato l'esperimento isotermico, maggiore è il prodotto PV.
In un processo isotermico, un gas si espande o si contrae, facendo lavoro senza modificare la sua energia interna.
Transizione a pressione costante
Adesso studiamo il processo isobarico, durante il quale la pressione viene mantenuta costante. Un esempio di tale transizione è il riscaldamento del gas sotto il pistone. Come risultato del riscaldamento, l'energia cinetica delle particelle aumenta, iniziano a colpire il pistone più spesso e con maggiore forza, a seguito della quale il gas si espande. Nel processo di espansione, il gas esegue alcuni lavori, la cui efficienza è del 40% (per un gas monoatomico).
Per questo isoprocesso, l'equazione di stato per un gas ideale dice che deve valere la seguente relazione:
V/T=const
È facile da ottenere se la pressione costante viene trasferita a destra dell'equazione di Clapeyron e la temperatura a sinistra. Questa uguaglianza è chiamata legge di Carlo.
Uguaglianza indica che le funzioni V(T) e T(V) appaiono come linee rette sui grafici. La pendenza della linea V(T) rispetto all'ascissa sarà tanto minore quanto maggiore sarà la pressioneP.
Transizione a volume costante
L'ultimo isoprocesso nei gas, che considereremo nell'articolo, è la transizione isocora. Usando l'equazione universale di Clapeyron, è facile ottenere la seguente uguaglianza per questa transizione:
P/T=const
La transizione isocora è descritta dalla legge di Gay-Lussac. Si può vedere che graficamente le funzioni P(T) e T(P) saranno rette. Tra tutti e tre i processi isocori, quello isocora è il più efficiente se è necessario aumentare la temperatura del sistema a causa dell'apporto di calore esterno. Durante questo processo, il gas non funziona, cioè tutto il calore sarà indirizzato ad aumentare l'energia interna del sistema.
