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Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 I Gas.

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Presentazione sul tema: "Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 I Gas."— Transcript della presentazione:

1 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine1 I Gas

2 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine2 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

3 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine3 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 dellenergia cinetica media molecolare. E una misura dellenergia cinetica media molecolare.

4 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine4 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).

5 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine5 Temperatura …due persone diverse possono definire caldo ofreddo lo stesso oggetto … tuttavia saranno entrambe concordi nel ritenere dellacqua bollente piu calda del ghiaccio. Possiamo rendere quantitativa questa osservazione, cercando una proprieta fisica che varia in modo regolare passando dal freddo al caldo

6 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine6 Proprieta termiche Espansione termica Resistenza elettrica Colore (emissione elettromagnetica) Le proprietà termica sono proprietà che dipendono in modo regolare dalla Temperatura Le proprietà termica sono proprietà che dipendono in modo regolare dalla Temperatura

7 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine7 Espansione Termica

8 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine8 L o =L(T o ) dL Espansione Termica L L o T L L o T varia poco con la temperatura per la maggior parte dei solidi. varia poco con la temperatura per la maggior parte dei solidi.

9 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine9 Espansione Termica

10 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine10 Espansione Termica

11 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine11 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 luso di due valori fissi standard su cui basare una scala di temperature

12 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine12 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 dammonio 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 dellacqua 212 °F

13 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine13 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 dellacqua (100 °C) Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dellacqua, fissato a 0.01 °C Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dellacqua, fissato a 0.01 °C La scala Kelvin pone a K il punto triplo La scala Kelvin pone a K il punto triplo

14 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine14 FahrenheitCelsiusKelvin Punto di ebollizione Punto di congelamento ° 100 ° 1 kelvin = 1 grado Celsius Scale di Temperatura

15 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine15 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 Cosè la temperatura? Ciò che si misura col termometro!

16 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine16 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…

17 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine17 Termometri Si divide lintervallo 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?

18 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine18 Termoscopi e termometri Legalmente ed internazionalmente si usa il termometro a gas perfetto

19 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine19 Temperature nellUniverso

20 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine20 Gas e gas perfetti

21 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine21 Densita Densita - massa per unita di volume Si misura in g/cm 3 Alta densitaBassa densita

22 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine22 Definizione di Pressione Pressione = Forza / AreaP = F/A unita SI : 1 Nt/m 2 = 1 Pascal (Pa) unita SI : 1 Nt/m 2 = 1 Pascal (Pa) 1 Pa = N/m 2 = (kg m/s 2 )/m 2 1 Pa = N/m 2 = (kg m/s 2 )/m 2

23 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 nellunita di tempo viene misurato come pressione Le molecole urtano le pareti interne del recipiente. Un numero enorme di urti nellunita di tempo viene misurato come pressione

24 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine24 Pressione Atmosferica La pressione atmosferica è la forza esercitata dallatmosfera sopra di noi. 1 atm è la pressione media al livello del mare È una misura del peso dellatmosfera sopra di noi

25 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine25 Pressione Supponiamo che su una superficie agisca una forza Definiremo come pressione sulla superficie il vettore Il vettore è perpendicolare alla superficie In genere esistono anche forze tangenti attenzione: ci possono essere anche pressioni negative...

26 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine26 Pressione La pressione si misura nel SI in pascal e poi in molte altre unità

27 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine27 Pressione Controllate (moltiplicando per 1…)

28 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine28 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 nellaltro Tutti i gas hanno basse densità aria g/ml acqua1.00 g/ml ferro7.9 g/ml

29 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine29 Le Leggi dei Gas Gli esperimenti mostrano che 4 variabili (di cui solo 3 indipendenti) sono sufficienti a descrivere completamente il comportamento allequilibrio di un gas. Pressione (P) Volume (V) Temperatura (T) Numero di particelle (n)

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 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine31 La Legge di Boyle

32 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine32 p 1 V 1 = p 2 V 2 La Legge di Boyle A Temperatura costante pV = costante A Temperatura costante pV = costante Robert Boyle Figlio del Conte di Cork, Irlanda.

33 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine33 Interpretazione Molecolare Se il numero di molecole raddoppia, nellunità 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

34 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine34 Interpretazione Molecolare Se il volume si dimezza, nellunità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia.

35 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine35 Grafico della Legge di Boyle

36 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine36 Grafico della Legge di Boyle

37 Jacques Charles Isolò il Boro Studiò gas e mongolfiere Legge di Charles-Gay Lussac A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura

38 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine38 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 Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante = Zero Assoluto = Zero Assoluto

39 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine39 La Scala Kelvin di Temperatura Dato che tutti i grafici della legge di Charles-Gay Lussac intersecano lasse 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

40 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine40 I palloncini, messi in azoto liquido a 77 K diminuiscono il loro volume. A temperatura ambiente, gradualmente riprendono il loro volume. La Legge di Charles

41 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine41 Legge di Avogadro Il volume di un gas, a T e P costanti, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas. Uguali volumi di gas a stessi T e P, contengono un egual numero di molecole. Il volume molare e lo stesso. V n (T,p costanti) Amedeo Avogadro 1811

42 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine42 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

43 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine43 Le Temperature DEVONO ESSERE ESPRESSE IN KELVIN!! pV = nRT

44 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine44 pV = nRT

45 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine45 Modello del Gas Ideale 1. Le molecole che compongono il gas ideale vengono considerate puntiformi 2. Le molecole non interagiscono fra loro Cose un Gas Ideale? E un Gas che obbedisce alla equazione di stato dei gas Ideali Cose un Gas Ideale? E un Gas che obbedisce alla equazione di stato dei gas Ideali

46 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine46 E uno dei rarissimi casi in cui lequazione 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 Modello del Gas Ideale

47 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine47 R = J / mol K = J mol -1 K -1 R = L atm mol -1 K -1 R = torr L mol -1 K -1 La Costante dei Gas R

48 Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine48 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) Condizioni Normali (vecchie STP, non piu usate) Temperatura: 0 °C = K Pressione: 1 atm Il volume molare di un gas ideale e V m = L


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