L'aria che respiriamo e ci muoviamo ogni giorno, l'elio nei nostri palloncini di compleanno e il metano utilizzato per il riscaldamento domestico sono tutti esempi comuni di gas. Il gas è uno dei tre stati principali della materia, insieme a solidi e liquidi.
Stati della materia
Gli stati della materia differiscono a seconda di quanto strettamente impaccate sono le particelle – una conseguenza di quanta energia cinetica hanno – che si traduce in caratteristiche distinte.
Allo stato solido, la materia è la più compatta. Le molecole in un solido sono tenute insieme da legami atomici e attrazioni. Di conseguenza, vibrano sul posto anziché fluire liberamente intorno. I solidi hanno forme e volumi definiti e non sono facilmente compressi; cioè, mantengono la loro forma abbastanza bene.
Allo stato liquido, la materia è meno compatta che in un solido, grazie a legami intermolecolari più deboli. Quando in presenza di un campo gravitazionale, un liquido assumerà la forma del suo contenitore; in assenza di gravità assume forme sferiche.
Allo stato gassoso, la materia sperimenta deboli interazioni con se stessa. Le particelle possono muoversi abbastanza liberamente. Di conseguenza, i gas assumono la forma e il volume di qualunque contenitore si trovino. Apri il forno dopo aver cotto una torta e il gas che era all'interno si diffonderà in tutta la casa in modo che la torta possa essere odorata da ogni stanza.
Il più recente stato della materia noto ai fisici è il plasma, una condizione in cui gli atomi che compongono la materia stessi si disgregano. Il plasma si trova solo a temperature e pressioni estreme, come quelle che si trovano al centro del sole. Poiché gli elettroni vengono strappati dagli atomi in queste condizioni, un plasma finisce per essere una miscela di elettroni liberi, gli ioni caricati positivamente rimanenti e gli atomi neutri. In termini di comportamento, un plasma si comporta come un gas, ma a causa delle cariche coinvolte, ha anche proprietà elettromagnetiche.
Cambiamenti di fase
La materia può cambiare da uno stato all'altro a seconda delle condizioni di pressione e temperatura. Tale trasformazione è nota come a cambio di fase. Ad esempio, l'acqua solida sotto forma di ghiaccio quando riscaldata fino al suo punto di ebollizione si scioglierà in acqua liquida, che a sua volta evaporerà in vapore acqueo con ancora più calore aggiunto.
L'opposto dell'evaporazione è la condensazione. Quando un gas si condensa diventa liquido.
Un solido può passare direttamente allo stato gassoso della materia subendo sublimazione. La sublimazione si verifica quando un solido si trova ad una particolare pressione al di sotto del suo punto triplo in un diagramma di fase. Ad esempio, il ghiaccio secco (anidride carbonica solida) sublima quando riscaldato in un'atmosfera, a differenza del ghiaccio "normale" (acqua) che si scioglie semplicemente in liquido quando riscaldato in un'atmosfera.
Definizione di un gas
La descrizione fisica formale di un gas è una sostanza che non ha un volume definito (chiamato anche volume fisso) o una forma definita. Invece, un gas prenderà la forma del suo contenitore perché le molecole di gas possono muoversi liberamente l'una sull'altra.
Un famoso problema ipotetico creato dall'eminente fisico delle particelle Enrico Fermi aiuta a illustrare questo. Fermi ha chiesto ai suoi studenti di approssimare quante molecole del respiro morente di Cesare un essere umano oggi può aspettarsi di incontrare con ciascuna delle proprie inalazioni. Supponendo che l'ultimo respiro dell'imperatore romano si sia ormai distribuito uniformemente in tutto il mondo (e non sia stato riassorbito dal oceano o piante), i calcoli mostrano che gli esseri viventi di oggi inspirano circa una molecola del suo ultimo respiro con ciascuno di il loro.
Sebbene un liquido possa anche assumere la forma del suo contenitore, un liquido non cambia volume senza aiuto. Ma un gas si diffonderà sempre per riempire il suo contenitore e, al contrario, può essere compresso in un contenitore più piccolo.
Proprietà fisiche dei gas
Una misura importante per descrivere un gas è pressione. La pressione di un gas è la forza per unità di superficie che il gas esercita sul suo contenitore. Più pressione porta a più forza e viceversa.
Ad esempio, uno pneumatico di bicicletta pompato ad alta pressione si sente insegnato e duro dall'esterno. Uno pneumatico a bassa pressione, d'altra parte, esercita meno forza verso l'esterno e, di conseguenza, si sente più floscio e morbido.
Un'altra caratteristica fondamentale di un gas è la sua temperatura. La temperatura di un gas è definita come una misura dell'energia cinetica media per molecola nel gas. Poiché tutte le molecole vibrano, hanno tutte una certa quantità di energia cinetica.
Sia la pressione che la temperatura sono necessarie per determinare se lo stato della materia è gassoso. Alcuni materiali sono gas solo ad alte temperature, mentre altri sono gas a basse temperature oa temperatura ambiente. Nel frattempo, alcuni materiali sono solo gas ad alte temperature e basse pressioni. Un diagramma di fase mostra lo stato della materia per una data sostanza a varie combinazioni di temperatura e pressione.
Esempi di gas
I gas abbondano nel mondo che ci circonda. L'anidride carbonica, un comune gas serra, viene emessa quando si brucia carburante per alimentare molte delle attuali attività dell'umanità. Quando l'acqua liquida vaporizza, diventa vapore o vapore acqueo, un processo che si verifica sui fornelli e nelle pozzanghere all'aperto sotto il sole.
La miscela di gas nota come aria, che in genere è costituita dal 78 percento di azoto, dal 21 percento di ossigeno e dall'1 percento altri gas – circonda tutte le creature terrestri e scambia con i loro corpi attraverso le vie respiratorie sistema. Quando respirano, molti animali estraggono ossigeno dall'aria ed eliminano l'anidride carbonica dai loro corpi, mentre molte piante fanno il contrario, assorbendo anidride carbonica ed emettendo ossigeno.
Gas ideale
Per aiutare a spiegare meglio il comportamento dei gas, ai fisici piace approssimare come si comporterebbe i gas se fossero fatti di molti particelle puntiformi che si muovono in linea retta e non subiscono forze intermolecolari – in altre parole, senza interagire con una un altro.
Certo, nessun gas è in realtà l'ideale, ma considerando come un gas voluto agendo in base a tale descrizione, i fisici sono in grado di combinare più leggi semplici sulle proprietà dei gas in una: la legge dei gas ideali.
Suggerimenti
La legge dei gas ideali è PV = nRT, dove P è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli del gas, R è la costante dei gas e T è la temperatura.
In particolare, la legge dei gas ideali è derivata da quattro leggi dei gas più semplici che mostrano parti delle relazioni nella legge combinata dei gas. Sono:
- Legge di Boyle: la pressione di un gas è inversamente proporzionale al suo volume a temperatura e quantità di gas costanti.
- Legge di Charles: il volume e la temperatura di un gas sono proporzionali quando la pressione è mantenuta costante.
- Legge di Avogadro: Il volume di un gas è proporzionale alla quantità di gas quando la pressione e la temperatura sono costanti.
- Legge di Amonton: La pressione e la temperatura di un gas sono proporzionali finché la quantità e il volume del gas sono mantenuti costanti.