Il comportamento della materia
Jacques Alexandre César Charles
Francia (12/11/1746 - 7/04/1823)
Joseph Louis Gay-Lussac
Francia (6/12/1778 - 10/05/1850)
Robert Boyle
Irlanda (25/01/1627 – 30/121691)
Lezione n.3 – classi SECONDE –Fisica
ITI «Torricelli» –S.Agata M.llo (ME)
Prof. Carmelo Peri
Gli Stati di aggregazione della materia

La materia si presenta in stati di aggregazione diversi, caratterizzati da proprietà
fisiche differenti.
Una sostanza è allo stato solido se possiede un volume ed una forma propria (
Ciò è dovuto al fatto che le molecole sono disposte in modo ordinato e occupano
una posizione fissa nello spazio vibrando attorno alla posizione di equilibrio)
 Una sostanza si trova allo stato liquido se possiede un volume proprio ma
assume la forma del recipiente che lo contiene (ciò in quanto le molecole, hanno
energia tale da vincere le forze di coesione ma non tale da vincere la forza di
gravità. Quindi le molecole sono mobili e tendono a disporsi verso il fondo del
recipiente distribuendosi nel recipiente in funzione della loro densità)
 Una sostanza si trova allo stato gassoso se assume il volume e la forma del
recipiente che lo contiene (ciò in quanto le molecole che la costituiscono
possiedono energia tale da vincere anche la forza di gravità. Quindi si trovano a
grande distanza reciproca e si muovono in tutte le direzioni, urtando le pareti e
tra di loro)

Passaggi di stato
•
•
•
Variando la temperatura oppure la pressione di un corpo (o entrambe), lo stesso può
mutare il suo stato.
Aumentando la temperatura e diminuendo la pressione si ottiene, di regola, un
passaggio solido-liquido- aeriforme
Ovviamente il percorso inverso aeriforme-liquido-solido lo si ottiene diminuendo la
temperatura ed aumentando la pressione.
SCHEMA
PASSAGGI
DI STATO
I solidi
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


Nei solidi le molecole sono disposte l'una accanto all'altra, più o meno ordinate, tenute
strettamente unite da forze di legame.
Le molecole oscillano attorno ad un punto fisso senza però spostarsi liberamente, per
questo motivo un solido ha forma e volume proprio.
Si possono individuare due tipi di aggregazione solida Cristallina ed amorfa.
I solidi cristallini sono caratterizzati da un perfetto ordine poiché le loro particelle si
trovano ai vertici di figure geometriche tridimensionali ben definite.
I solidi amorfi sono caratterizzati dal fatto che le particelle che lo compongono si trovano
disposti in modo non ordinato.
Le particelle sono disposte in modo
ordinato e la struttura cristallina lascia
numerosi buchi.
Fornendo calore al corpo, aumenta
l’energia posseduta dalle molecole, e
quindi la sua temperatura. Le
molecole riescono ad allontanarsi e
quindi il volume aumenta.
Fornendo ancora calore il corpo
raggiunge la temperatura di fusione,
le particelle riescono a vincere le
forze di coesione e tendono a
spostarsi verso il basso. Le molecole
occupano anche i buchi presenti nella
fase solida e il volume diminuisce.
I LIQUIDI
Allo stato liquido l’energia posseduta dalle particelle è tale da vincere le forze di
coesione.
 Le molecole possono quindi muoversi tendendo a spostarsi verso il fondo del recipiente.
Mentre cercano di muoversi formano altri legami con le particelle vicine per poi
allontanarsene nuovamente.
 La libertà di movimento delle molecole fa si che la pressione esercitata da esse sia uguale
in tutte le direzioni secondo la nota legge di Stevino.

Le particelle si attraggono tra loro,
si
agitano
e
rimbalzano
continuamente girando l’una intorno
all’altra.
Lo spazio tra due particelle è molto
ridotto e quindi i liquidi sono
praticamente incomprimibili.
Fornendo calore al liquido l’energia
posseduta dalle molecole aumenta,
aumentando conseguentemente la
temperatura.
I GAS
Allo stato gassoso (aeriforme) le particelle (atomi, ioni o molecole) posseggono energia
tale da vincere le forze di coesione e la forza di gravità e quindi ognuna è libera di
muoversi indipendentemente dalle altre in maniera caotica.
 Esse quindi, nel loro insieme, assumono la forma e il volume del recipiente che le
contiene.
 Inoltre la distanza tra due molecole è considerevole e quindi la materia allo stato gassoso
può essere facilmente compressa, a differenza di quella allo stato liquido o solido.

Le particelle si muovono, si agitano e
urtano continuamente tra di loro e con
le pareti del recipiente.
Lo spazio tra due particelle è notevole
e quindi i gas possono definirsi
comprimibili.
La libertà di movimento delle
molecole fa si che la pressione
esercitata da esse sia uguale in tutti i
punti e in tutte le direzioni.
Il sistema termodinamico
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Al fine di studiare il comportamento dei gas, confiniamo un numero di moli dei un gas
perfetto all’interno della camera interna ad un contenitore a tenuta stagna realizzato con
un cilindro dotato di pistone mobile.
Una mole è pari alla quantità di sostanza che contiene un numero di particelle elementari
pari al numero di Avogadro (N=6,022 · 1023)
Il volume (m3) del gas dipende dalla posizione del pistone ed è pari al prodotto dell’area
di base per la quota «z» del pistone misurata rispetto al fondo del recipiente.
La temperatura (°C o °K) del gas si misura utilizzando un termometro (indicheremo con
t la temperatura se espressa in gradi celsius e con T la temperatura espressa in gradi
Kelvin).
La pressione del gas (pa) si misurerà con il manometro.
La posizione del pistone varierà in funzione della
quantità di gas utilizzato e della sua temperatura.
Nel contempo varierà la pressione del gas.
Dopo un tempo sufficiente la posizione del pistone si
stabilizzerà in una posizione di equilibrio (STATO di
UN GAS) in corrispondenza a determinati valori di
Pressione, Volume e Temperatura.
Il sistema termodinamico

Con questo sistema è possibile far variare:
◦ Il volume, spostando meccanicamente il pistone verso l’alto o verso il basso;
◦ La pressione, mettendo o togliendo dei pesi sul pistone stesso
◦ La temperatura, mettendo il fondo del cilindro a contato con un corpo più
caldo o più freddo;

Al variare di una delle grandezze di stato (P,V,T,) varieranno in genere anche le altre
due. Al massimo è possibile mantenerne una costante.

Una trasformazione termodinamica è il cambiamento dello stato di un gas.
• Possiamo mantenere la pressione costante, aumentando la
temperatura e lasciando libero il pistone di muoversi,
mantenendo i pesi sul pistone invariati. In questo caso la
trasformazione prende il nome di Trasformazione ISOBARA;
• Possiamo mantenere il volume costante, aumentando la
temperatura e bloccando il pistone. In questo caso la
trasformazione prende il nome di Trasformazione ISOCORA;
• Possiamo mantenere la temperatura costante, modificando
la posizione del pistone. In questo caso la trasformazione
prende il nome di Trasformazione ISOTERMA;
TRASFORMAZIONE ISOBARA
•
Se facciamo compiere una Trasformazione ISOBARA mantenendo la pressione
costante, mantenendo il peso sul pistone invariato, variando la temperatura e lasciando
libero il pistone di muoversi. Notiamo che:
Se facciamo diminuire la temperatura (mettendo il cilindro a contatto con un corpo più
freddo) il volume diminuirà.
Se facciamo aumentare la temperatura (mettendo il cilindro a contatto con un corpo più
caldo) il volume aumenterà.
•
•
•
1a Legge di Gay-Lussac : In una trasformazione ISOBARA (a
pressione costante) il volume varia in funzione della
temperatura secondo la seguente legge:
V=V0(1+ a t)
essendo V0 il volume alla temperatura di 0°C , a =1/273, e t
la temperatura a cui si trova il gas espressa in gradi Celsius.
•
Esprimendo la temperatura in gradi Kelvin sarà possibile
esprimere questa legge nella seguente forma:
VA / TA = VB / TB = cost
in una trasformazione isocora il Volume e la Temperatura
espressa in gradi Kelvin sono direttamente proporzionali.
(se il volume raddoppia o triplica, etc. conseguentemente
raddoppierà o triplicherà etc . la temperatura)
PIANO DI CLAPEYRON (Isobara)
TRASFORMAZIONE ISOBARA
•
•
•
•
•
Una Trasformazione isobara: è una trasformazione che avviene a
pressione costante.
•
Affinchè avvenga è necessario che sul pistone non vengono
aggiunti o tolti pesi.
•
Nel piano di Clapeyron viene rappresentata con un segmento
orizzontale.
•
Nel caso rappresentato in figura la pressione PC=PD, il volume
aumenta, conseguentemente per la 1a legge di Gay-Lussac
aumenterà anche la temperatura.
Si definisce lavoro il prodotto della componente della forza agente
nella direzione dello spostamento per lo spostamento.
Nel caso di una trasformazione isobara il gas esercita la pressione P,
e quindi una forza F=P·A, sul pistone. Essendo lo spostamento del
pistone pari a s=DV/A, ne consegue che il lavoro compiuto dal gas
è pari:
L=F·s=P · A · DV/A =P · DV [J]
-> L= P · DV [J]
Nel diagramma di Clapeyron la pressione P è pari all’altezza del
rettangolo sotteso al segmento che rappresenta la trasformazione AB, mentre la variazione di volume DV è pari al segmento A-B.
Ne consegue che nel diagramma di CLAPEYRON il lavoro è
pari all’area della figura sottesa dal segmento A-B .
TRASFORMAZIONE ISOCORA
•
Se facciamo compiere una Trasformazione ISOCORA mantenendo il volume costante,
bloccando il pistone e facendo variare la temperatura. Notiamo che:
•
Se facciamo diminuire la temperatura (mettendo il cilindro a contatto con un corpo più
freddo) la pressione diminuirà.
•
Se facciamo aumentare la temperatura (mettendo il cilindro a contatto con un corpo più
caldo) la pressione aumenterà.
•
2a Legge di Gay-Lussac : In una trasformazione ISOCORA (a
volume costante) la pressione varia in funzione della temperatura
secondo la seguente legge:
P=P0(1+ a t)
essendo P0 la pressione alla temperatura di 0°C , a =1/273, e t la
temperatura a cui si trova il gas espressa in gradi Celsius.
•
Esprimendo la temperatura in gradi Kelvin sarà possibile
esprimere questa legge nella seguente forma:
PA / TA = PB / TB = const
in una trasformazione isocora la pressione e la Temperatura
espressa in gradi Kelvin sono direttamente proporzionali.
(se la pressione raddoppia o triplica, etc. conseguentemente
raddoppierà o triplicherà etc . la temperatura)
X
X
PIANO DI CLAPEYRON (Isocora)
TRASFORMAZIONE ISOCORA
•
•
•
•
Una Trasformazione isobara: è una trasformazione che
avviene a volume costante.
•
Affinchè avvenga è necessario che il pistone venga
bloccato
•
Nel piano di Clapeyron la trasformazione viene
rappresentata con un segmento verticale.
•
Nel caso rappresentato in figura il volume VA=VB, la
pressione aumenta, conseguentemente per la 2a legge di
Gay-Lussac aumenterà anche la temperatura.
Si definisce lavoro il prodotto della componente della forza agente nella direzione
dello spostamento per lo spostamento.
Nel caso di una trasformazione isocora non si ha spostamento del pistone e quindi
il lavoro compiuto dal gas è pari:
L=F·s=F · 0 = 0 [J]
-> L= 0 [J]
Nel diagramma di clapeyron è evidente che l’area sottesa al segmento A-B è
nulla infatti DV=VB-VA=0 [m3] e quindi L=0 [J]
TRASFORMAZIONE isoterma
•
Se facciamo compiere una Trasformazione ISOTERMA mantenendo la temperatura
costante, mettendo a contatto il cilindro con un con una fonte di calore calda o fredda a
seconda se la temperatura diminuisce o aumenta rispetto alla temperatura prefissata,
variando il volume. Notiamo che:
•
Se facciamo aumentare il volume, la pressione diminuirà.
•
Se facciamo diminuire il volume, la pressione aumenterà.
•
Legge di Boyle: In una trasformazione ISOTERMA (a
temperatura costante) il volume e la pressione sono
inversamente proporzionali:
PA · VA = PB · VB = cost
(se il volume raddoppia o triplica, etc. conseguentemente la
temperatura diventerà ½, 1/3 ,etc. rispetto a quella iniziale)
PIANO DI CLAPEYRON (Isoterma)
TRASFORMAZIONE ISOTERMA
•
Una Trasformazione isoterma: è una trasformazione che
avviene a temperatura costante.
•
Affinchè avvenga è necessario fornire o sottrarre calore al
sistema in funzione di una diminuzione o aumento della
temperatura.
•
Essendo P·V = cost, (trattasi dell’equazione di
un’iperbole equilatera) nel piano di Clapeyron viene
rappresentata con un ramo di un’iperbole equilatera.
•
Tanto più l’iperbole sarà lontana dall’origine tanto più la
trasformazione avverrà a temperatura maggiore.
•
•
•
Nella trasformazione A-B in figura, la temperatura rimane
costante, il volume aumenta e conseguentemente, vista la
legge di Boyle, la pressione diminuisce proporzionalmente.
il lavoro compiuto dal gas è pari:
L= ∫ P ·dV [J]
Nel diagramma di CLAPEYRON il lavoro è pari all’area
della figura sottesa dall’arco A-B .
CICLO TERMODINAMICO
Ciclo termodinamico
•
Si definisce ciclo termodinamico una sequenza di
trasformazioni termodinamiche eseguite in modo
che lo stato iniziale del gas coincida con lo stato
finale.
•
In questo caso il lavoro complessivo compiuto
(positivo) o ricevuto (negativo) dal gas si ottiene
sommando il lavoro per ogni trasformazione.
•
Nel diagramma di Clapeyron è individuato
dall’area interna alla figura individuata dalle
trasformazioni.
I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA
DISTINGUEREMO
•
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA
•
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
•
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
•
TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA

Il principio zero della termodinamica stabilisce che:
“ Se un corpo A e in equilibrio termico con un corpo B , e il corpo B e a sua volta in
equilibrio termico con un altro corpo C , allora A e senz'altro in equilibrio termico con
il corpo C ”.

Il principio zero infatti, viene utilizzato per effettuare la misura della temperatura, solo se
quest’ultima viene intesa come proprietà che determina se un corpo e in equilibrio termico
con altri corpi oppure no. “Due corpi in equilibrio termico fra loro sono alla stessa
temperatura”.
Più semplicemente possiamo affermare che:

“Il principio zero rappresenta la tendenza (di due o più oggetti), a raggiungere
un'energia cinetica media comune degli atomi e delle molecole che compongono i corpi
stessi, e tra cui avviene scambio di calore
In media infatti avremo come conseguenza che:

durante gli urti delle particelle del corpo più caldo (mediamente piu veloci), con le
particelle del corpo più freddo (mediamente più lente), si avrà passaggio di energia dalle
prime alle seconde, sino ad uguagliare le due temperature.

L'efficienza dello scambio di energia determina i calori specifici dei materiali (o elementi)
coinvolti nello scambio.”
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Per poter definire il primo principio (detto anche Legge di conservazione dell'energia), in
termini di bilancio energetico, occorre definire il sistema in cui ci muoviamo.

Considereremo iI sistema come se fosse un sistema isolato (ovvero senza flussi di
energia che vengono dall'esterno) e in questo caso l'energia in esso contenuta, è
costante. (L'energia non si genera ΔEG = 0 e non si distrugge ΔED = 0).

Inoltre considereremo il sistema come se fosse un sistema chiuso (non può scambiare
massa con l’esterno)

Per un sistema isolato e chiuso le modalità con cui è possibile scambiare energia sono:
◦ Scambio Calore: Se la causa della variazione di energia del sistema dipenda da una
variazione di temperatura. Tale scambio lo indichiamo con Q la cui unità di misura nel SI
(Sistema Internazione) è il Joule (J);
◦ Scambio Lavoro: Se la causa della variazione energetica dipende dal lavoro compiuto
da forze la indicheremo con L la cui unità di misura nel SI (Sistema Internazione) è il
Joule (J);

Per un siffatto sistema, il bilancio energetico si può scrivere come: DU=Q-L

Quindi il Primo Principio della termodinamica afferma che: “la variazione di energia
interna U di un qualsiasi sistema termodinamico corrisponde alla somma delle
quantità di calore Q e lavoro L forniti al sistema”.

L è positivo quando è ceduto dal sistema all'ambiente, Q positivo quando è ceduto
dall'ambiente al sistema.
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il secondo principio della termodinamica, “stabilisce il verso delle interazioni
termodinamiche”, o meglio ancora: “chiarisce il perchè una trasformazione avviene
spontaneamente in un modo piuttosto che in un altro”.

Nel corso della storia, si sono avute molte formulazioni equivalenti che regolano il
secondo principio della termodinamica. Quelle più importanti affermano che:

1)
Nella formulazione di Clausius: è impossibile realizzare una trasformazione il cui
unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo”.
2)
Nella formulazione di Kelvin-Planck: “è impossibile realizzare una trasformazione il
cui unico risultato preveda che tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea sia
interamente trasformato in lavoro”. Quindi non è possibile (nemmeno in linea di
principio) realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
3)
Formulazione basata sull’entropia: "In un sistema isolato l'entropia e una funzione non
decrescente nel tempo».
Questo principio ha avuto, da un punto di vista storico, un impatto notevole. Infatti:
“Implicitamente sancisce l'impossibilita di realizzare il moto perpetuo e
contemporaneamente tramite la non reversibilità dei processi termodinamici, definisce un
verso si percorrenza del tempo”.
TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA

Il terzo principio della termodinamica, detto anche teorema di Nernst, Può essere così
formulato:
“non e possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di
operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche)”.