Gas ideale
Proprietà di un gas ideale
Per gas ideale si intende un gas che possieda le seguenti proprietà:
- le molecole sono puntiformi e pertanto hanno un volume trascurabile;
- le molecole interagiscono tra loro e con le pareti del recipiente mediante urti perfettamente elastici (ovvero non vi è dispersione di energia cinetica durante gli urti);
- non esistono forze di interazione a distanza tra le molecole del gas: le molecole si dicono "non interagenti";
- le molecole del gas sono identiche tra loro e indistinguibili;
- il moto delle molecole è casuale e disordinato in ogni direzione, ma soggetto a leggi deterministiche.
In conseguenza di ciò:
In un gas ideale l'energia cinetica media delle molecole del gas è direttamente proporzionale alla temperatura (espressa in unità energetiche):

I gas reali vengono descritti dalla legge dei gas perfetti con buona approssimazione solo quando la pressione è sufficientemente bassa e la temperatura sufficientemente alta.
In caso contrario è valida la legge dei gas reali.
Energia interna
La variazione dell'energia interna è una funzione di stato, ossia ha la proprietà di dipendere solo dal suo stato iniziale e finale e non dal percorso compiuto. In generale l'energia interna è una funzione sia della temperatura che del volume, differenziando si ottiene quindi:

Considerando i risultati matematici dell'esperienza di Joule per l'espansione libera di un gas perfetto:


e sostituendo nel differenziale precedentemente calcolato, si ottiene:

Ovvero per i gas perfetti l'energia interna è funzione solamente della temperatura.
Definendo come
il calore specifico isocoro, allora per una trasformazione isocora dal primo principio della termodinamica si ha che:

dove
è il calore per unità di quantità di sostanza del gas scambiato dal gas stesso con l'ambiente durante la trasformazione. Assumendo che la capacità termica è costante con la temperatura, e usando la legge dei gas perfetti, allora il primo principio della termodinamica può essere riscritto per i gas ideali e per trasformazioni quasistatiche come il differenziale esatto:

Entropia
Si consideri una trasformazione reversibile che porti
moli di gas perfetto da uno stato con pressione, volume specifico e temperatura
ad uno stato finale
. La quantità infinitesima di calore scambiata nella trasformazione è data da:

dove
è il calore specifico a volume costante, v il volume molare e T è la temperatura espressa in unità energetiche.
Ricordando che la variazione di entropia è data da:
,
allora la variazione si entropia nel passaggio dallo stato iniziale
allo stato finale
è data da:
.
Integrando si ottiene:
.
Utilizzando l'equazione di stato dei gas perfetti e la Relazione di Mayer per i gas ideali, ed operando le opportune sostituzioni, è possibile riscrivere la relazione appena trovata anche in termini di pressione e di calore specifico a pressione costante:

.
Si ricordi che in questi calcoli il calore specifico è stato assunto come costante della temperatura.
Note
- ↑ Peter Atkins e Julio de Paula, Physical Chemistry, OUP Oxford, 2014, 1982, p. 33.
- ↑ In alcuni casi, una distinzione è introdotta fra gas ideale e gas perfetto. Un gas perfetto è definito come un gas ideale che possieda un coefficiente isoentropico costante (o equivalentemente calore specifico costante, dato che i calori specifici isobaro e isocoro per un gas ideale sono legati dalla relazione di Mayer
):

Si veda anche Philip A. Thompson, Compressible-Fluid Dynamics (PDF), 1988.
- ↑ (EN) Ideal gas, su goldbook.iupac.org.
- ↑ (EN) Perfect gas, su britannica.com.
- ↑ (EN) J. S. Rowlinson, James Joule, William Thomson and the concept of a perfect gas, in Notes Rec. R. Soc. 20, vol. 64, pp. 47-53.
- ↑ (definibile dal fattore di comprimibilità z che misura lo scostamento del comportamento ideale da quello reale) in funzione dei parametri adimensionali :
π = (Pressione della sostanza gassosa in questione / Pressione critica della sostanza gassosa in questione) < 0,15;
φ = (Temperatura della sostanza gassosa in questione / Temperatura critica della sostanza gassosa in questione) > 1.
- ↑ I gas perfetti, su sapere.it. URL consultato l'8 novembre 2014.
- ↑ (EN) The Joule Expansion, su chem.arizona.edu. URL consultato l'8 novembre 2014 (archiviato dall'url originale il 13 giugno 2012).
- ↑ (EN) Entropy, su grc.nasa.gov. URL consultato l'8 novembre 2014.
- ↑ Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Fisica - Volume I (seconda edizione), Napoli, EdiSES, 2010, ISBN 88-7959-137-1.p.456
- ↑ Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Fisica - Volume I (seconda edizione), Napoli, EdiSES, 2010, ISBN 88-7959-137-1.p.467
Bibliografia
- Philip A. Thompson, Compressible-Fluid Dynamics, Irving H. Shames, 1988.
- Paolo Mazzoldi, Massimo Nigro, Cesare Voci, Fisica - Volume I (seconda edizione), Napoli, EdiSES, 2010, ISBN 88-7959-137-1.