Il gas ideale

Il gas ideale

Il gas ideale viene considerato come un gas che ha gli atomi simili a dei punti molto distanti tra loro che sono liberi di muoversi senza attirarsi tra loro né respingersi; neppure la loro velocità cambia quando si urtano tra loro o con il contenitore che contiene il gas. Nessun gas reale rispetta alla perfezione queste caratteristiche ma dato che tutti tendono ad avere comportamenti simili, questi possono essere interpretati come un unico modello.

Ogni tipo di gas quando si trova all’interno di un contenitore tende a occupare tutto lo spazio a disposizione indipendentemente dalla sua grandezza ed esercita la stessa pressione in tutte le direzioni. Quando un gas viene riscaldato o raffreddato cambia molto il suo volume ma se non può espandersi, aumenta la sua pressione. Inoltre, un gas può essere compresso e il suo volume viene ridotto.

Queste osservazioni hanno fatto capire che per conoscere lo stato fisico di una determinata quantità di gas ci serve sapere soltanto tre grandezze: il volume (V), la temperatura (T) e la pressione (p).

Dato che i gas tendo a comportarsi in maniera simile, soprattutto quando si trovano in condizioni di bassa pressione e di alta temperatura, è stato stabilito un unico modello per comprenderli, chiamato modello particellare del gas ideale. Da questo possiamo dire che:

  • Le particelle di un gas si muovono liberamente a grandissima velocità in tutte le direzioni e occupano tutto lo spazio che hanno a disposizione;
  • Lo stato fisico dei gas dipende dal numero di particelle e non dal tipo;
  • La distanza e il volume che occupano le particelle quando si muovono è molto più grande delle loro dimensioni che sono, quindi, trascurabili;
  • Quando le particelle urtano tra loro o con la superficie, non diminuisce la loro energia.

Le leggi del gas ideale

A questo punto, sono state stabilite delle relazioni, o leggi, riguardante il gas ideale. La pressione esercitata da un gas è l’effetto degli urti delle sue particelle contro la superficie di un recipiente; aumentando il numero degli urti, aumenta la pressione. Per fare questo si può aumentare il numero di particelle (la massa) oppure la temperatura ma si può anche diminuire il volume del contenitore in modo che le particelle hanno meno spazio a disposizione.

Le leggi dei gas sono tre e indicano le relazioni che ci sono tra le grandezze fisiche dei gas. La legge di Boyle stabilisce che in una trasformazione dove la temperatura rimane costante (trasformazione isoterma), il volume di una determinata quantità di gas cambia in modo inversamente proporzionale alla pressione . Questo significa che aumentando la pressione di una certa quantità, il volume diminuisce della stessa quantità (Esempio: 2p, 1/2V; 3p, 1/3V). Inoltre il prodotto tra queste due grandezze è costante. In simboli:

p ∙ V = k

Se si aumenta la temperatura, aumenta la velocità delle particelle e la frequenza degli urti; di conseguenza, aumenta la pressione. In base alla legge di Gay-Lussac, in una trasformazione dove il volume non cambia (trasformazione isocora), la pressione varia in modo direttamente proporzionale alla temperatura. Quindi raddoppiando la temperatura raddoppia la pressione, triplicando la prima aumenta la seconda, dimezzando la prima dimezza anche la seconda. Questo significa che anche il rapporto tra la pressione e la temperatura non cambia, rimane costante.

Legge di Gay-Lussac

Infine, aumentando la temperatura e mantenendo costante la pressione (trasformazione isobara), aumenta il volume. In base alla legge di Charles, in questa situazione, il volume di una certa quantità di gas cambia in modo direttamente proporzionale alla temperatura e il loro rapporto rimane costante. In simboli:

Legge di Charles

Queste tre relazioni possono essere unificate in una sola relazione, chiamata equazione di stato del gas ideale.

Equazione di stato del gas ideale