Qual è la legge del gas ideale?

La legge dei gas ideali è un'equazione matematica che può essere utilizzata per risolvere problemi relativi alla temperatura, al volume e alla pressione dei gas. Sebbene l'equazione sia un'approssimazione, è molto buona ed è utile per una vasta gamma di condizioni. Utilizza due forme strettamente correlate che rappresentano la quantità di un gas in modi diversi.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

La legge del gas ideale è PV = nRT, dove P = pressione, V = volume, n = numero di moli di gas, T è temperatura e R è una costante di proporzionalità, solitamente 8,314. L'equazione consente di risolvere problemi pratici con i gas.

Hai a che fare con i gas nella vita di tutti i giorni, come l'aria che respiri, l'elio in un pallone da festa o il metano, il "gas naturale" che usi per cucinare il cibo. Queste sostanze hanno in comune proprietà molto simili, incluso il modo in cui rispondono alla pressione e al calore. Tuttavia, a temperature molto basse, la maggior parte dei gas reali diventa liquida. Un gas ideale, al confronto, è più un'idea astratta utile che una sostanza reale; per esempio, un gas ideale non si trasforma mai in liquido e non c'è limite alla sua comprimibilità. Tuttavia, la maggior parte dei gas reali è abbastanza vicina a un gas ideale da poter utilizzare la legge dei gas ideali per risolvere molti problemi pratici.

Le equazioni della legge dei gas ideali hanno pressione e volume da un lato del segno di uguale e quantità e temperatura dall'altro. Ciò significa che il prodotto della pressione e del volume rimane proporzionale al prodotto della quantità e della temperatura. Se, ad esempio, si aumenta la temperatura di una quantità fissa di gas in un volume fisso, anche la pressione deve aumentare. Oppure, se si mantiene la pressione costante, il gas deve espandersi in un volume maggiore.

Per utilizzare correttamente la legge dei gas ideali, è necessario utilizzare unità assolute di temperatura. I gradi Celsius e Fahrenheit non funzioneranno perché possono andare a numeri negativi. Le temperature negative nella legge dei gas ideali ti danno una pressione o un volume negativi, che non possono esistere. Invece, usa la scala Kelvin, che inizia dallo zero assoluto. Se lavori con unità inglesi e desideri una scala relativa a Fahrenheit, usa la scala Rankine, che inizia anch'essa dallo zero assoluto.

La prima forma comune dell'equazione del gas ideale è, PV = nRT, dove P è la pressione, V è il volume, n è il numero di moli di gas, R è una costante di proporzionalità, tipicamente 8,314 e T è la temperatura. Per il sistema metrico, utilizzare i pascal per la pressione, i metri cubi per il volume e i kelvin per la temperatura. Per fare un esempio, 1 mole di elio gassoso a 300 Kelvin (temperatura ambiente) è inferiore a 101 kilopascal di pressione (pressione al livello del mare). Quanto volume occupa? Prendi PV = nRT e dividi entrambi i membri per P, lasciando V da solo sul lato sinistro. L'equazione diventa V = nRT ÷ P. Una mole (n) per 8,314 (R) per 300 Kelvin (T) divisa per 101.000 pascal (P) danno 0,0247 metri cubi di volume, o 24,7 litri.

Nelle lezioni di scienze, un'altra forma comune di equazione del gas ideale che vedrai è PV = NkT. La grande "N" è il numero di particelle (molecole o atomi) e k è una costante di Boltzmann, un numero che consente di utilizzare il numero di particelle invece delle moli. Nota che per l'elio e altri gas nobili si usano gli atomi; per tutti gli altri gas, utilizzare le molecole. Usa questa equazione più o meno allo stesso modo della precedente. Ad esempio, un serbatoio da 1 litro contiene 10²³ molecole di azoto. Se abbassi la temperatura a 200 Kelvin da brivido, qual è la pressione del gas nel serbatoio? Prendi PV = NkT e dividi entrambi i membri per V, lasciando P per se stesso. L'equazione diventa P = NkT ÷ V. Moltiplica 10²³ molecole (N) per la costante di Boltzmann (1.38 x 10^-23), moltiplicare per 200 Kelvin (T) e quindi dividere per 0,001 metri cubi (1 litro) per ottenere la pressione: 276 kilopascal.