Termodinamica 2
19 aprile 2011
Leggi del gas ideale
Scala termometrica Kelvin Numero di Avogadro
Equazione di stato del gas ideale Legge di Dalton
Gas reali
Pressione, legge di Boyle
• Se comprimiamo un gas contenuto in un recipiente chiuso, il suo volume diminuisce
• Indichiamo con p0 la pressione atmosferica e V0 il volume che il gas occupa a questa pressione e con p, V una pressione qualunque e il corrispondente volume
• a temperatura costante vale la legge di Boyle:
• Questa legge è seguita da tutti i gas lontano dal
punto di liquefazione e per compressioni non troppo elevate
pV p0V0
2
Dilatazione termica dei gas
• Volta e Gay-Lussac, usando un termometro
empirico a mercurio, scoprono che, a parità di salto di temperatura, il rapporto volumetrico a pressione costante
è lo stesso per tutti i gas e quindi il parametro è lo stesso per tutti i gas
• La dilatazione termica dei gas è perciò un fatto
generale e comune a tutti i gas e non dipende dalla particolare natura chimica del gas usato
• Questa legge è tanto meglio verificata, tanto più bassa è la pressione del gas e più alta la sua temperatura
V V0
V0
t t0
3
Termometro a gas
• Questa proprietà universale dei gas secondo cui c’è proporzionalità tra variazioni di volume e di temperatura, è la base su cui realizzare un termometro a gas
• Sperimentalmente, sempre per pressioni basse, il parametro
• è una costante indipendente dalla temperatura
1 V0
V
t
t t0
4
Dilatazione termica dei gas
• Per i gas il coefficiente di dilatazione volumica a pressione costante è
sensibilmente indipendente dalla natura dei gas e dalla temperatura
• Questo è tanto più vero quanto minore è la pressione cui sono sottoposti e alta la loro temperatura
• Quando la pressione diminuisce, il valore di tende, per tutti i gas ad un valore limite che è:
V100 V0 V0
1
100 1
273.15 1
T0 5
Gas ideale
• Quindi per i gas scriveremo
• Questa espressione è valida a tutte le
temperature solo per l’ipotetico gas ideale
• Ovvero, a parti scambiate, si definisce “gas ideale” quella sostanza immaginaria che
segue questa equazione a tutte le temperature
V t V
0 1 t V
01 t T
0
6
Gas ideale
• L’equazione può scriversi in modo ancora più semplice cambiando lo zero della scala
• Il vecchio zero corrisponde al ghiaccio fondente
• Il nuovo zero corrisponde a t = -T0
• Indichiamo con T la temperatura relativa a questo nuovo zero, risulta T = t+T0 e la legge dei gas ideali assume la forma:
• Quindi il volume del gas ideale è proporzionale alla nuova temperatura T, che chiameremo
provvisoriamente temperatura di gas ideale
V T
V0 1 t T0
V0
T
T0 KpT
7
Scala Kelvin
• Questa scala termometrica ha lo zero in corrispondenza di -273.15 °C e
l’unità di misura coincidente col grado Celsius
• Il nome della nuova scala è, ne
vedremo più avanti il motivo, Kelvin e quello dell’unità è kelvin (K)
8
Pressione del gas ideale
• Per il gas ideale, accanto alla legge di
dilatazione volumica, vale una legge analoga (pure di Volta Gay-Lussac) per le variazioni di pressione a volume costante
• con lo stesso valore di T0
• Pertanto, usando la temperatura di gas ideale, possiamo scrivere:
p t p
01 t T
0
p T
p0T
T0 KVT
9
Legge di Avogadro
• Volumi uguali di gas diversi, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di
molecole
• Detta M la massa totale del gas e m la massa di ciascuna delle molecole che lo compongono, il numero di molecole è N=M/m
• La massa m è il prodotto della “massa” molecolare A per l’unità di massa atomica mu
m Am
u A 1.66 10
24g
10
mu è definita come la dodicesima parte della massa di un atomo di 12C
Legge di Avogadro
• Quindi
• Considerando una massa M numericamente uguale ad A grammi di gas, si ottiene il numero di Avogadro:
• La quantità di materia corrispondente a questo numero si chiama mole
• Quindi N rappresenta il numero di molecole presenti in una mole di gas
• Nel SI la mole rappresenta la settima unità fondamentale, quella della quantità di materia
N M
m M
Am
u M
A 6.022 10
23
N 6.022 10
2311
Legge di Avogadro
• Come conseguenza una mole di gas qualunque, ad una data pressione e temperatura, occupa sempre lo stesso volume
• Si trova che in condizioni normali (cioè t=0°C, p=1 Atm) il volume vale v=22.414 litri
• Questo volume è detto volume molare
• n moli di gas occupano, sempre in condizioni normali, il volume nv
La quantita` di materia e`
una grandezza estensiva 12
Leggi del gas ideale
• Legge di Boyle - temperatura costante
• Legge di Volta Gay-Lussac - pressione costante
• Legge di Volta Gay-Lussac - volume costante
• Legge di Avogadro - per n moli
• Queste leggi possono essere sintetizzate in un’unica legge
p KVT
V KpT
pV KT
nv V
13
Gas ideale
• Prendiamo n moli di gas in condizioni
normali, con pressione, temperatura e volume p0, T0, V0 e cambiamo due di queste variabili, per esempio pressione e volume, facendo loro assumerei valori finali p e V
p0
V0 p
V I
F
14
• Questa trasformazione si può fare in infiniti modi diversi; scegliamo il
seguente:
• a volume costante passiamo dal punto I al punto M
Applicando le leggi di Volta troviamo:
• Poi a pressione costante passiamo da M a F
Applicando di nuovo le leggi di Volta:
p0
V0 p
V I
M F
VM V0
pM p0 TM T0
p pM
V VM T TM
Gas ideale
15
Equazione di stato del gas ideale
• Moltiplicando membro a membro le due ultime equazioni e tenendo conto delle due precedenti, otteniamo:
• ovvero:
• Ove R e` una costante (relativa ad una mole):
• Vediamo ora di precisare il valore della costante R
T T V p T
T T
V T T p
V T p pV
M M
M M
M
0 0 0 0
0
0
T nR v n p
T V p T
n pv T
pV
0 0 0 0
0 0
0 0 0
T v p T
R pv
16
Costante dei gas R
• Alla temperatura del ghiaccio fondente, T=273.15 K, e alla pressione di
un’atmosfera, p=1.0136x10
5N/m
2, ogni mole gassosa occupa un volume
v=22.414 dm
3• La costante R vale dunque
mole K
J T
v R p
8.31
16 . 273
414 .
22 10
0136 .
1 5
0 0 0
17
Equazione di stato del gas ideale
• La legge risulta in tutta generalità:
• A temperatura costante, nel piano p,V questa legge è rappresentata da un’iperbole
• Per gas che non siano in condizioni di idealità, o per sostanze fluide omogenee ed isotrope,
sussistono relazioni analoghe ma più complicate
pV nRT
18
Legge di Dalton
• Immaginiamo di mescolare m gas ideali
diversi, che non interagiscano chimicamente fra loro, in un contenitore di volume V
• Sia pk la pressione parziale del gas k-esimo, cioè la pressione che il gas eserciterebbe in assenza degli altri gas
• La legge stabilisce che la pressione risultante del miscuglio è la somma delle pressioni
parziali:
p pk
k1
m19
Legge di Dalton
• Questa legge può essere dimostrata semplicemente, partendo dal dato
sperimentale che la pressione risulta uguale a:
• Ricordando la definizione di pressione parziale, abbiamo:
p RT
V nk
k1
m
p RT V nk
k1
m pk k1
m20
Gas reali
• I gas reali si discostano dal
comportamento ideale tanto più, quanto più elevata è la pressione e bassa la temperatura
• Nel piano p,V, le isoterme reali non sono iperboli, ma assumono una forma più complessa
• Percorrendo l’isoterma più bassa partendo da destra troviamo
nell’ordine: il punto R, un
segmento rettilineo, il punto L
v p
L R
21
Gas reali
v p
L R
• Il segmento rappresenta il fenomeno della liquefazione, cioè la presenza
contemporanea di due fasi: gassosa e liquida
• R è detto punto di rugiada, ove il gas inizia a liquefare
• L è il punto di liquefazione totale: tutto il gas è trasformato in liquido
• Il fatto che il segmento sia parallelo all’asse V significa che durante la liquefazione su un’isoterma, la pressione rimane costante
• Quando il gas è completamente liquefatto, l’isoterma cresce molto rapidamente: ciò corrisponde al fatto che un liquido è
pochissimo compressibile
22
Gas reali
• Durante la liquefazione il gas è in equilibrio con il liquido e prende il nome di vapore saturo
• Maggiore è la temperatura dell’isoterma, più corto è il segmento di liquefazione
• Ad una certa temperatura, specifica per ogni gas, il segmento si annulla
• Questa è la temperatura critica TC; la corrispondente isoterma critica è
rappresentata in rosso in figura
• Al di sopra di questa temperatura non è possibile liquefare il gas, qualunque sia la pressione applicata
v p
23
Gas reali
v p
gas
vapore vapore +
liquido liquido
• Nella figura, il piano p,V è stato suddiviso in
diverse regioni a seconda delle fasi presenti
• Al di sotto dell’isoterma critica, il gas è detto, più propriamente, vapore invece che gas
24