Lo studio dei gas perfetti ci permette di comprendere il legame tra pressione, volume e temperatura.
Un oceano invisibile sopra le nostre teste
In questo preciso istante siamo immersi in un enorme oceano. Non è fatto d’acqua ma di aria.
L’atmosfera terrestre avvolge completamente il nostro pianeta e si estende per centinaia di chilometri verso lo spazio. Anche se non possiamo vederla, essa esercita una profonda influenza sulla nostra vita quotidiana.
Ogni respiro che compiamo, ogni pneumatico gonfiato, ogni bomboletta spray e ogni motore a combustione sfruttano il comportamento dei gas. Perfino il meteo che osserviamo ogni giorno dipende dalle proprietà dell’aria che ci circonda.
A prima vista l’aria sembra immobile e priva di caratteristiche particolari. In realtà è una delle sostanze più dinamiche presenti in natura.
Se potessimo osservare il mondo microscopico, vedremmo uno spettacolo straordinario: una gigantesca tempesta di particelle in continuo movimento, che si scontrano miliardi di volte ogni secondo.
Per comprendere questi fenomeni dobbiamo osservare più da vicino il comportamento delle molecole che costituiscono i gas.
La differenza tra solidi, liquidi e gas dipende principalmente dal modo in cui le particelle si muovono e interagiscono tra loro.
🧊 Nei solidi
Le particelle occupano posizioni quasi fisse e possono soltanto vibrare.
💧 Nei liquidi
Le particelle restano vicine ma possono scorrere le une sulle altre.
☁️ Nei gas
Le particelle sono molto distanti e si muovono liberamente in tutte le direzioni.
Perché i gas perfetti occupano tutto il recipiente?
Versiamo dell’acqua in una bottiglia. L’acqua si raccoglie sul fondo mantenendo un volume ben definito e una superficie libera ben visibile.
Se invece introduciamo un gas nello stesso recipiente accade qualcosa di completamente diverso. Le sue molecole non rimangono concentrate in una zona particolare, ma si disperdono spontaneamente fino a occupare ogni regione disponibile.
Questo comportamento è una conseguenza diretta del moto continuo delle particelle. Poiché le molecole si muovono in tutte le direzioni, esse tendono a distribuirsi uniformemente nello spazio disponibile.
Per questo motivo un gas non possiede una forma propria: assume sempre la forma del recipiente che lo contiene e tende a riempirlo completamente.
Da Dove Nasce La Pressione?
Immaginiamo un recipiente chiuso pieno di gas. Al suo interno miliardi di miliardi di molecole si muovono incessantemente, cambiando continuamente direzione a causa degli urti reciproci.
Ogni volta che una molecola colpisce una parete esercita una piccola forza. Un singolo urto è trascurabile, ma il loro numero è così elevato da generare un effetto macroscopico facilmente misurabile.
La somma di tutti questi urti produce una forza complessiva sulle pareti del recipiente. Questa grandezza prende il nome di pressione.
La pressione è definita come il rapporto tra la forza esercitata e la superficie su cui essa agisce:
- P = pressione
- F = forza esercitata
- A = area della superficie
La pressione rappresenta quindi la forza esercitata per unità di superficie. Maggiore è il numero di urti o più intensa è la loro energia, maggiore sarà la pressione esercitata dal gas.
🌍 Lo sapevi?
La pressione atmosferica esercitata su un semplice foglio di carta formato A4 supera i 700 N, equivalenti al peso di circa 70 kg.
Eppure il foglio non si schiaccia perché l’aria esercita praticamente la stessa pressione su entrambi i lati, creando una situazione di equilibrio.
Viviamo sul fondo dell’atmosfera
Anche se spesso non ce ne rendiamo conto, viviamo sul fondo di un immenso oceano d’aria.
L’atmosfera terrestre possiede una massa enorme e, come qualsiasi altro corpo soggetto alla gravità, esercita un peso sulla superficie del pianeta.
Questo peso genera una pressione che agisce continuamente su tutto ciò che ci circonda: edifici, automobili, alberi e persino sul nostro corpo.
Al livello del mare la pressione atmosferica media vale:
101325 Pa
1 atmosfera (1 atm)
Questa pressione agisce costantemente su di noi.
Perché allora non veniamo schiacciati?
Perché i liquidi e i gas presenti all’interno del nostro organismo esercitano una pressione praticamente uguale e opposta, mantenendo un perfetto equilibrio.
Perché i liquidi e i gas presenti all’interno del nostro organismo esercitano una pressione praticamente uguale e opposta, mantenendo un perfetto equilibrio.
Cosa succede quando comprimiamo un gas perfetto?
Immaginiamo di spingere lentamente un pistone verso il basso all’interno di un cilindro contenente gas.
Le molecole avranno a disposizione uno spazio sempre più ridotto per muoversi. Di conseguenza aumenterà il numero di urti contro le pareti del recipiente e contro il pistone stesso.
Poiché la pressione nasce proprio da questi urti, essa aumenterà progressivamente durante la compressione.
Questo semplice principio è sfruttato in moltissimi dispositivi tecnologici, tra cui compressori, pompe, motori a combustione interna e impianti pneumatici.
Nel simulatore seguente potrai osservare direttamente come la riduzione del volume provochi un aumento della pressione del gas.
Agisci sui cursori del simulatore e osserva in tempo reale come cambia il comportamento del gas.
L’esperimento mostra chiaramente che la pressione non nasce “dal nulla”, ma dagli urti continui delle molecole contro le pareti del recipiente.
Apri il simulatore del gas nel pistone
Il laboratorio si aprirà in una nuova scheda.
La temperatura vista dalle molecole
Quando tocchiamo un oggetto diciamo che è caldo oppure freddo. Dal punto di vista microscopico, però, la temperatura misura qualcosa di molto più preciso.
La temperatura è legata all’energia cinetica media delle particelle che costituiscono una sostanza.
Più alta è la temperatura, maggiore sarà la velocità media delle molecole. Più bassa è la temperatura, più lentamente esse si muoveranno.
Possiamo quindi immaginare la temperatura come una misura dell’agitazione termica delle particelle.
In un gas caldo le molecole si muovono rapidamente e si scontrano con maggiore energia; in un gas freddo il loro moto diventa invece più lento.
Immagina due gas
Un gas freddo è costituito da molecole che si muovono lentamente.
Un gas caldo è costituito da molecole che si muovono molto più velocemente.
La temperatura misura proprio questa agitazione microscopica.
Perché un palloncino si gonfia al Sole?
Hai mai lasciato un palloncino sotto il Sole in una giornata estiva?
Dopo qualche tempo noterai che il suo volume aumenta.
Questo fenomeno è una conseguenza diretta dell’aumento della temperatura dell’aria contenuta al suo interno.
Quando il gas si riscalda, le molecole acquistano energia e si muovono più velocemente. Gli urti contro la superficie interna del palloncino diventano quindi più frequenti e più intensi.
La gomma viene spinta verso l’esterno e il volume del palloncino aumenta.
Questo semplice esperimento quotidiano rappresenta uno dei primi esempi del legame tra temperatura e volume, una relazione che studieremo in modo quantitativo nei prossimi articoli dedicati ai gas perfetti.
La scala Kelvin e lo zero assoluto
Nello studio dei gas i fisici utilizzano la temperatura assoluta.
Lo zero Kelvin corrisponde alla temperatura minima teoricamente possibile:
Questa temperatura prende il nome di zero assoluto.
In prossimità di questo limite il moto delle particelle diventa estremamente ridotto.
Nessuna temperatura può essere inferiore allo zero assoluto. A questa temperatura teorica il moto termico delle particelle raggiunge il minimo possibile consentito dalle leggi della fisica.
Lo zero assoluto non è soltanto un numero: rappresenta uno dei confini estremi dell’Universo conosciuto. È il punto in cui l’agitazione termica delle particelle raggiunge il minimo possibile consentito dalle leggi della fisica.
Per approfondire la storia e le caratteristiche della scala Kelvin puoi consultare la voce dedicata:
Scala Kelvin
.
Per ulteriori approfondimenti teorici sul modello utilizzato in fisica consulta anche la voce:
Tre grandezze che governano i gas
Abbiamo identificato le tre grandezze fondamentali che descrivono il comportamento di un gas:
📌 Pressione
Nasce dagli urti delle molecole contro le pareti del recipiente.
📦 Volume
Rappresenta lo spazio disponibile per il movimento delle particelle.
🌡️ Temperatura
Misura l’agitazione termica e l’energia cinetica media delle molecole.
Queste tre grandezze non sono indipendenti. Quando una varia, cambiano inevitabilmente anche le altre. Comprendere le relazioni che le legano significa entrare nel cuore della termodinamica dei gas.
Per oltre due secoli i fisici hanno studiato queste relazioni, fino ad arrivare a una delle equazioni più eleganti dell’intera fisica.
Nel prossimo articolo…
Scopriremo come queste grandezze siano collegate da una delle equazioni più eleganti della fisica:
PV = nRT
Entreremo nel mondo dei gas perfetti e dell’equazione di stato.
