Modello dei gas ideali, comportamento, esempi

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Alexander Pearson

UN gas ideale o gas perfetto È quello in cui l'attrazione molecolare o forza di repulsione tra le particelle che lo compongono è considerata insignificante, quindi tutta la sua energia interna è cinetica, cioè energia associata al movimento.

In un tale gas, le particelle sono generalmente abbastanza distanti, sebbene di tanto in tanto si scontrino tra loro e con le pareti del contenitore..

Nel gas ideale le particelle sono lontane l'una dall'altra

D'altra parte, nel gas ideale, né la dimensione né la massa delle particelle sono importanti, poiché si presume che il volume da esse occupato sia molto piccolo rispetto al volume del gas stesso..

Questa, ovviamente, è solo un'approssimazione, perché in realtà c'è sempre un certo grado di interazione tra atomi e molecole. Sappiamo anche che le particelle occupano lo spazio e hanno massa..

Tuttavia, queste ipotesi funzionano abbastanza bene in molti casi, come i gas a basso peso molecolare, in un buon intervallo di pressioni e temperature..

Tuttavia, i gas ad alto peso molecolare, soprattutto ad alte pressioni o basse temperature, non si comportano affatto come i gas ideali e sono necessari altri modelli creati con lo scopo di descriverli con maggiore precisione..

Indice articolo

  • 1 Primi esperimenti
    • 1.1 Le leggi dei gas ideali
  • 2 Modello di gas ideale
    • 2.1 Equazione di stato dei gas perfetti
    • 2.2 La costante dei gas
  • 3 Comportamento di un gas ideale
  • 4 Esempi di gas ideali
    • 4.1 Gas nobili
    • 4.2 La mongolfiera
    • 4.3 Palloncini di elio
  • 5 Riferimenti

Primi esperimenti

Le leggi che governano i gas sono empiriche, cioè derivano dalla sperimentazione. Gli esperimenti più notevoli furono effettuati durante il diciassettesimo, diciottesimo e inizio diciannovesimo secolo.

I primi sono quelli di Robert Boyle (1627-1691) e Edme Mariotte (1620-1684), che modificarono indipendentemente il Pressione in un gas e ha registrato il suo cambio di volume, trovando che erano inversamente proporzionali: maggiore è la pressione, minore è il volume.

Robert boyle

Da parte sua, Jacques Charles (1746-1823) stabilì che il volume e temperatura i valori assoluti erano direttamente proporzionali, fintanto che la pressione rimaneva costante.

Amadeo Avogadro (1776-1856) scoprì che due volumi identici di gas diversi contenevano lo stesso numero di particelle, purché la pressione e la temperatura fossero le stesse. E infine Joseph de Gay Lussac (1778-1850), affermò che mantenendo fisso il volume, la pressione in un gas è direttamente proporzionale alla temperatura..

Le leggi dei gas ideali

Queste scoperte sono espresse in semplici formule, chiamate p incalzare, V al volume, n al numero di particelle e T la temperatura del gas ideale:

Legge Boyle-Mariotte

Finché la temperatura è fissa, si verifica quanto segue:

p⋅V = costante

Charles Law

Quando il gas è sotto pressione costante:

V / T = costante

Legge di Gay Lussac

Mantenendo il gas a un volume fisso si accerta che:

p / T = costante

Legge di Avogadro

Volumi identici di gas, alle stesse condizioni di pressione e temperatura, hanno lo stesso numero di particelle. Quindi possiamo scrivere:

V ∝ n

Dove n è il numero di particelle e ∝ è il simbolo della proporzionalità.

Modello di gas ideale

Il modello del gas ideale descrive un gas tale che:

-Quando le particelle interagiscono, lo fanno per un tempo molto breve, per mezzo di collisioni elastiche, in cui si conservano quantità di moto ed energia cinetica..

-Le sue particelle costituenti sono puntuali, in altre parole, il loro diametro è molto inferiore alla distanza media che percorrono tra una collisione e l'altra..

-Le forze intermolecolari sono inesistenti.

-L'energia cinetica è proporzionale alla temperatura.

I gas monoatomici - i cui atomi non sono legati insieme - e il basso peso molecolare, in condizioni standard di pressione e temperatura (pressione atmosferica e temperatura di 0 ° C), hanno un comportamento tale che il modello del gas ideale è un'ottima descrizione..

Equazione di stato dei gas perfetti

Le leggi dei gas sopra elencate si combinano per formare l'equazione generale che governa il comportamento del gas ideale:

V ∝ n

V ∝ T

Perciò:

V ∝ n⋅T

Inoltre, dalla legge di Boyle:

V = costante / p

Quindi possiamo affermare che:

V = (costante x n⋅T) / p

La costante è chiamata costante dei gas ed è indicato con la lettera R. Con questa scelta, l'equazione di stato dei gas ideali mette in relazione quattro variabili che descrivono lo stato del gas, ovvero n, R, p e T, lasciando:

p⋅V = n⋅R⋅T

Questa equazione relativamente semplice è coerente con le leggi dei gas ideali. Ad esempio, se la temperatura è costante, l'equazione si riduce alla legge di Boyle-Mariotte.

La costante dei gas

Come abbiamo detto prima, in condizioni standard di temperatura e pressione, cioè a 0ºC (273,15 K) e 1 atmosfera di pressione, il comportamento di molti gas è vicino a quello del gas ideale. In queste condizioni, il volume di 1 mole di gas è 22.414 L.

In quel caso:

R = (p⋅V) / (n⋅T) = (1 atm x 22,414 L) / (1 mol x 273,15 K) = 0,0821 atm ⋅ L / mol ⋅ K

La costante dei gas può essere espressa anche in altre unità, ad esempio nel Sistema Internazionale SI vale:

R = 8,314 J⋅ mol-1⋅ K-1

Quando si risolve un problema usando la legge dei gas ideali, è conveniente prestare attenzione alle unità in cui è espressa la costante, poiché come possiamo vedere, ci sono molte possibilità.

Comportamento di un gas ideale

Come abbiamo detto, qualsiasi gas in condizioni standard di pressione e temperatura e cioè di basso peso molecolare, si comporta molto vicino al gas ideale. Pertanto, l'equazione p⋅V = n⋅R⋅T è applicabile per trovare la relazione tra le quattro variabili che la descrivono: n, p, V e T.

In questo modo possiamo immaginare una porzione di gas ideale racchiusa in un contenitore e formata da minuscole particelle, che di volta in volta entrano in collisione tra loro e con le pareti del contenitore, sempre elasticamente..

Questo è ciò che vediamo nella seguente animazione di una porzione di elio, un gas nobile monoatomico:

L'elio è un gas nobile, l'animazione mostra una porzione di atomi di elio in un contenitore. Quelle rosse servono a distinguere meglio il movimento. Fonte: Wikimedia Commons.

Esempi di gas ideali

Un gas ideale è un gas ipotetico, cioè è un'idealizzazione, tuttavia in pratica molti gas si comportano in modo molto vicino, rendendo possibile che il modello p⋅V = n⋅R arroT dia ottimi risultati precisi..

gas nobili

Esempi di gas che si comportano come ideali in condizioni standard sono i gas nobili, così come i gas leggeri: idrogeno, ossigeno e azoto..

Il pallone aerostatico

Il modello del gas ideale spiega come sale la mongolfiera. Fonte: Wikimedia Commons.

La legge di Charles può essere applicata alla mongolfiera in figura 1: il gas si riscalda, quindi l'aria che riempie il pallone si espande e di conseguenza si alza.

Palloncini di elio

L'elio è, insieme all'idrogeno, l'elemento più comune nell'universo, eppure è raro sulla Terra. Essendo un gas nobile, è inerte, a differenza dell'idrogeno, ecco perché i palloncini riempiti di elio sono ampiamente utilizzati come elementi decorativi..

Riferimenti

  1. Atkins, P. 1999. Chimica fisica. Edizioni Omega.
  2. Chang, R. 2013. Chimica. 11 °. Edizione. Mc Graw Hill Education.
  3. Cengel, Y. 2012. Termodinamica. 7a edizione. Mcgraw hill.
  4. Cimbala, C. 2006. Fluid Mechanics, Fundamentals and Applications. Mc. Graw hill.
  5. Giambattista, A. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.

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