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Buongiorno ragazzi. Oggi iniziamo un capitolo nuovo, e il capitolo dei gas. La teoria cinetica molecolare è un capitolo importante, è diverso da quello che stiamo facendo, da quello che abbiamo fatto fino a questo momento, e culminerà con lo studio della termodinamica.
Si tratta di una scienza importante, quella teoria cinetica molecolare e anche la termodinamica, sono scienze importanti perché servono dal punto di vista tecnologico a realizzare degli strumenti che ogni giorno noi utilizziamo in modo continuativo. Come ad esempio, basti pensare non solo ai condizionatori d'aria, oppure anche basti pensare alle automobili. Il motore delle automobili, il pistone nel motore delle automobili si muovono proprio per a causa del gas che ne provocano gli spostamenti.
E quindi una scienza molto interessante che va studiata da un punto di vista sperimentale. Ecco perché conviene iniziare a parlare di gas proprio organizzando un laboratorio virtuale, di cui vi darò anche le indicazioni che potrete raggiungere da soli. Inizio però a darvi due dritte sul funzionamento di questa applicazione.
Come vedete, è un contenitore che contiene, che ha diciamo una serie di sensori. Abbiamo un sensore della temperatura che mi dice costantemente all'interno di questa camera quale la temperatura. C'è un manometro, e cioè il sensore della pressione. E poi qui sotto c'è una pompa che ha il significato di inserire all'interno di questo contenitore delle molecole di gas. Qui sotto poi c'è anche un sistema per poter fornire calore a questo contenitore, oppure togliere calore al contenitore, utilizzando la prima volta il fuoco e la seconda volta invece semplicemente del del ghiaccio.
Proviamo immediatamente ad esempio di inserire all'interno di questo contenitore, dando una pompata, inseriamo un un gas. I gas di cui noi ci occuperemo saranno in realtà i cosiddetti gas ideali. Cosa vuol dire gas ideale? È un gas che ha delle caratteristiche molto semplici, e cioè sono gas principalmente rarefatti, cioè sono gas in cui le molecole sono molto lontane tra di loro. Poi sono particelle puntiformi che non hanno volume. È inoltre è necessario che il gas si trovi lontano dal punto della temperatura di liquefazione. Se sono valide queste condizioni, allora stiamo parlando di un gas ideale.
Ad esempio, quello che vedete nel monitor potrebbe essere un gas ideale. Le particelle sono rarefatte, non ce ne sono tante e si muovono in tutte le direzioni. Ora che osservate il gas all'interno del contenitore, forse capirete il motivo perché per cui c'è un misuratore di pressione, un manometro. Il motivo è che mediamente queste particelle vanno a sbattere contro il contenitore e contro di esse, quindi producono una determinata pressione. Quindi il nostro manometro è in grado di darci un'indicazione di pressione delle particelle contro le pareti del contenitore. Questa indicazione, vedete qui sotto, ad esempio ora c'è scritto 5.8 atmosfere, ma può anche essere espressa tramite i chilopascal.
Il invece sensore della temperatura, che è un vero e proprio termometro, ci dice la temperatura all'interno del contenitore, la temperatura media del del contenitore, dandoci un'indicazione anche della temperatura media a cui si trova il gas. L'indicazione è di 300 Kelvin. Questo capita perché Kelvin, lo ricordo, è nel sistema internazionale. È possibile poi passare anche gradi centigradi, ricordando che c'è una differenza di 273 gradi Kelvin. Quindi basta togliere da 300 273 e ottengo automaticamente il valore in gradi centigradi.
Con questo sistema faremo una serie di esempi e cercheremo di scoprire le leggi dei dei gas. Un'altra cosa importante che si può fare con questo contenitore è tramite questo manico che vedete qui a sinistra, quella di cambiare il volume del contenitore. Nel momento in cui ci sarà un cambiamento di qualche genere, i nostri sensori di pressione di temperatura ci daranno un'indicazione di quello che succede al gas e quindi potremmo anche imparare le caratteristiche principali.
Ora c'è da dire una cosa fondamentale da studiarla immediatamente, che per poter descrivere un gas mediamente abbiamo bisogno del d3 grandezze fisiche che sono la pressione del gas, la temperatura a cui si trova il il gas e il volume. Conoscendo queste tre grandezze si può dare una descrizione dello stato in cui si trova un particolare gas. Se cambiano alcune di queste grandezze, ad esempio se io vado a cambiare il volume, riduco il volume, il gas risponderà attraverso appunto le sue proprietà e vedremo un po' che cosa sarà in grado di di fare.
Ora, siccome descrivere un gas non è una cosa semplice, in quanto ci sono ben tre variabili che possono cambiare continuamente nel tempo, cioè la pressione, la temperatura e il volume del gas, conviene studiarle un po' per volta. Quindi, ad esempio, la prima cosa che ci conviene fare, il primo esperimento che possiamo fare è un esperimento in cui teniamo costante una di queste tre, ad esempio possiamo ottenere costante la temperatura. Questo sarà il nostro primo esperimento. Posso tenere costante la temperatura, ma posso cambiare la pressione volume all'interno del contenitore.
Osserviamo in questo momento che cosa dicono i nostri sensori. Il sensore di pressione indica 678 chilopascal medi all'interno del contenitore, è una temperatura di 27 gradi. Quindi 27 gradi più o meno sono la temperatura ambiente. E allora il nostro primo esperimento potrebbe essere: proviamo a cambiare il volume del contenitore, a renderlo magari sempre più piccolo. Che cosa accadrà ai nostri sensori? Che così indicheranno la pressione aumenterà. Ad esempio, verosimilmente dobbiamo aspettarci che in effetti la nostra pressione da 678 chilopascal aumenti, ed è quello che ci dice il nostro sensore. Aumenta perché essendo il volume più piccolo, allora aumentano in media gli urti delle particelle del gas contro il contenitore e quindi automaticamente il nostro sensore di pressione ci darà appunto una pressione media e il gas più elevata.
E se invece questo volume io dovessi aumentarlo di più, ecco guardate, anche in questo caso il nostro manometro lo vediamo che scende a 398 chilopascal. Quindi vediamo chiaramente che la pressione scende anche parecchio rispetto al dato che avevamo inizialmente, perché la pressione scende perché mediamente, essendo un volume più grande, diminuisce il numero, diminuiscono il numero di urti delle delle particelle. Quindi il nostro manometro, il nostro sensore di pressione ci darà un valore di pressione media del gas che risulta inferiore, quella che abbiamo appena verificato.
In modo molto semplice si chiama prima legge dei gas, o anche detta legge di Boyle, perché è stata scoperta da questo fisico Boyle nel 1700. E dice che se io ho un gas in un determinato contenitore e mantengo costante la temperatura, ma non solo, qui abbiamo contenuto, abbiamo mantenuto costante anche il numero di particelle del gas, allora se si aumenta il volume, diminuisce la pressione. Se diminuisce il volume, aumenta la pressione. Quindi c'è un rapporto, possiamo dire che sono inversamente proporzionali la pressione e il volume del del gas.
Ecco, adesso andremo un po' meglio nel nel dettaglio su carta e cercheremo di analizzare le caratteristiche del gas nella prima legge di Boyle.