Modello di gas ideale, comportamento, esempi

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

In tale gas, le particelle sono generalmente abbastanza lontane l'una dall'altra, sebbene occasionalmente si scontrano 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 le dimensioni o la massa delle particelle non importano, poiché il volume da esse occupato dovrebbe essere molto piccolo rispetto al volume del gas stesso.

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

Tuttavia, queste ipotesi funzionano abbastanza bene in molti casi, come i gas a basso peso molecolare, in una buona gamma di pressioni e temperature.

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

[TOC]

Primi esperimenti

Le leggi che governano i gas sono empiriche, cioè sono nate dalla sperimentazione. Gli esperimenti più notevoli furono condotti nel diciassettesimo, diciottesimo e all'inizio del diciannovesimo secolo.

I primi sono quelli di Robert Boyle (1627-1691) e Edme Mariotte (1620-1684), che hanno modificato indipendentemente il pressione in un gas e ha registrato il loro cambio di volume, scoprire che erano inversamente proporzionali: a maggiore pressione, meno volume.

Robert Boyle

Da parte sua, Jacques Charles (1746-1823) stabilì quel volume e temperatura L'assoluto erano direttamente proporzionali, purché la pressione rimanesse costante.

Può servirti: onde stazionarie: formule, caratteristiche, tipi, esempi

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

Le leggi dei gas ideali

Queste scoperte sono espresse attraverso semplici formule, chiamando P alla pressione, V al volume, N al numero di particelle e T La temperatura del gas ideale:

Legge di Boyle-Maleotte

A condizione che la temperatura sia fissa, si verifichi quanto segue:

P⋅v = costante

Charles Law

Quando il gas è sotto costante pressione:

V / t = costante

Legge gay di Lussac

Mantenere il gas a un volume fisso è vero che:

p / t = costante

Legge Avogadro

Volumi di gas identici, nelle 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 di gas ideale descrive un gas tale che:

-Quando le particelle interagiscono lo fanno per un tempo molto breve, attraverso scontri elastici, in cui vengono conservati l'impeto e l'energia cinetica.

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

-Le forze intermolecolari non sono esistenti.

-L'energia cinetica è proporzionale alla temperatura.

Gas monoatomici - i cui atomi non sono collegati tra loro - e basso peso molecolare, in condizioni standard di pressione e temperatura (pressione atmosferica e temperatura 0 º C), hanno un comportamento tale per cui il modello di gas ideale è una descrizione molto buona loro.

Può servirti: Vy Canis Majoris: Discovery, Caratteristiche, Struttura, Formazione ed Evoluzione

Equazione dello stato del gas ideale

Le leggi dei gas di cui sopra sono combinate per formare l'equazione generale che governa il comportamento del gas ideale:

V ∝ n

V ∝ t

Perciò:

V ∝ n⋅t

Inoltre, della legge di Boyle:

V = costante / p

Allora possiamo affermare che:

V = (costante x n⋅t) / p

La costante è chiamata costante di gas Ed è indicato dalla lettera r. Con questa scelta, l'equazione del gas ideale mette in relazione quattro variabili che descrivono lo stato del gas, vale a dire 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 è ridotta alla legge Boyle-Maleotte.

La costante del gas

Come abbiamo detto prima, in condizioni di temperatura e pressione standard, cioè a 0 ° C (273.15 k) e 1 atmosfera di pressione, il comportamento di molti gas è vicino al gas ideale. In queste condizioni, il volume di 1 moli 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 di gas può anche essere espressa in altre unità, ad esempio nel sistema internazionale se vale:

R = 8.314 J⋅ mol^-1⋅ k^-1

Quando un problema viene risolto attraverso la legge sui gas ideali, è conveniente prestare attenzione alle unità in cui la costante è espressa, 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 che è a 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.

Può servirti: modello atomico Heisenberg

In questo modo possiamo immaginare una porzione di gas ideale bloccata in un contenitore e formata da minuscole particelle, che occasionalmente si scontrano 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 e monoatomico:

L'elio è un gas nobile, nell'animazione Una porzione di atomi di elio è mostrata in un contenitore. Quelli rossi 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 ravvicinato, rendendo possibile per il modello P⋅v = n⋅R⋅t preciso.

gas nobili

Esempio di gas che si comportano come ideali in condizioni standard sono gas nobili, nonché gas chiaro: idrogeno, ossigeno e azoto.

Il palloncino aerostatico

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

Al palloncino aerostatico della Figura 1 può essere applicato dalla legge di Charles: il gas viene riscaldato, quindi l'aria che riempie il globo si espande e di conseguenza aumenta.

Palloncini di elio

L'elio è, insieme all'idrogeno, l'elemento più comune nell'universo, eppure è scarso sulla terra. Poiché un gas nobile è inerte, a differenza dell'idrogeno, quindi i palloncini pieni di elio sono ampiamente usati come elementi decorativi.

Riferimenti

1. Atkins, p. 1999. Chimica fisica. Omega Editions.
2. Chang, R. 2013. Chimica. 11va. Edizione. Mc Graw Hill Education.
3. Cengel, e. 2012. Termodinamica. 7a edizione. McGraw Hill.
4. Cimbala, c. 2006. Meccanica di fluidi, fondamenti e applicazioni. MC. Graw Hill.
5. Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.