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)
IL COMPORTAMENTO DELLA MATERIA
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.
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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)
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PASSAGGI DI STATO
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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
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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
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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.
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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;
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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
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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 = const
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
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.
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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
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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.
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.
•
2a
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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
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.
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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
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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.
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Legge di Boyle: In una trasformazione ISOTERMA (a temperatura
costante) il volume e la pressione sono inversamente proporzionali:
PA · VA = PB · VB = const
(se il volume raddoppia o triplica, etc. conseguentemente
la temperatura diventerà ½, 1/3 ,etc. rispetto a quella iniziale)
PIANO DI CLAPEYRON
TRASFORMAZIONE ISOTERMA
Una Trasformazione isoterma: è una trasformazione che
avviene a temperaturacostante.
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.
L’iperbole tanto più sarà lontana dall’origine tanto più
avverrà a temperatura maggiore.
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Nella trasformazione in figura A-B, 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 .
PIANO DI CLAPEYRON
Ciclo termodinamico
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Si definisce ciclo una sequenza di trasformazioni
termodinamiche eseguite in modo che lo stato iniziale
del gas coincida con lo stato finale.
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In questo caso il lavoro compiuto (se positivo) o ricevuto
(se negativo) dal gas si ottiene sommando il lavoro per
ciascuna trasformazione.
Nel diagramma di Clapeyron è individuato dall’area
interna alla figura individuata dalle trasformazioni.
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