Nel corso dei secoli, gli scienziati hanno scoperto leggi che spiegano come proprietà come il volume e la pressione influenzino il comportamento dei gas. Assisti all'applicazione nella vita reale di almeno una di queste leggi – la legge di Boyle – ogni giorno, forse senza mai sapere che stai osservando importanti principi scientifici in azione.
Movimento molecolare, volume e palloni da calcio
Secondo la legge di Charles, l'aumento del volume è proporzionale all'aumento della temperatura se si riscalda una quantità fissa di gas a pressione costante. Dimostra questa legge osservando come un pallone gonfiato che è stato al chiuso diventa più piccolo se lo porti fuori in una giornata fredda. I distributori di propano sfruttano la legge di Charles abbassando la temperatura a -42,2 gradi Celsius (-44 Fahrenheit) – un'azione che converte il propano in un liquido più facile da trasportare e negozio. Il propano si liquefa perché al diminuire della temperatura, le molecole del gas si avvicinano e il volume diminuisce.
Respirazione resa difficile per gentile concessione della legge di Dalton
La legge di Dalton afferma che la pressione totale di una miscela di gas è uguale alla somma di tutti i gas contenuti nella miscela, come mostrato nella seguente equazione:
Questo esempio presuppone che nella miscela esistano solo due gas. Una conseguenza di questa legge è che l'ossigeno rappresenta il 21 percento della pressione totale dell'atmosfera perché costituisce il 21 percento dell'atmosfera. Le persone che salgono ad alta quota sperimentano la legge di Dalton quando cercano di respirare. Man mano che salgono più in alto, la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce al diminuire della pressione atmosferica totale secondo la legge di Dalton. L'ossigeno ha difficoltà a entrare nel flusso sanguigno quando la pressione parziale del gas diminuisce. L'ipossia, un grave problema medico che può portare alla morte, può verificarsi quando ciò accade.
Implicazioni sorprendenti della legge di Avogadro
Amadeo Avogadro fece interessanti proposte nel 1811 che ora formulano la legge di Avogadro. Afferma che un gas contiene lo stesso numero di molecole di un altro gas di uguale volume alla stessa temperatura e pressione. Ciò significa che quando si raddoppiano o si triplicano le molecole di un gas, il volume raddoppia o triplica se la pressione e la temperatura rimangono costanti. Le masse dei gas non saranno le stesse poiché hanno pesi molecolari diversi. Questa legge sostiene che un pallone ad aria e un pallone identico contenente elio non hanno lo stesso peso perché le molecole dell'aria, costituite principalmente da azoto e ossigeno, hanno una massa maggiore dell'elio molecole.
La magia delle relazioni di pressione inversa
Robert Boyle ha anche studiato le intriganti relazioni tra volume, pressione e altre proprietà dei gas. Secondo la sua legge, la pressione di un gas moltiplicata per il suo volume è una costante se il gas funziona come un gas ideale. Ciò significa che la pressione di un gas moltiplicata per il volume in un momento è uguale alla sua pressione per il volume in un altro dopo aver regolato una di queste proprietà. La seguente equazione illustra questa relazione:
P_1V_1=P_2V_2
Nei gas ideali, l'energia cinetica comprende tutta l'energia interna del gas e si verifica un cambiamento di temperatura se questa energia cambia. (rif 6, primo paragrafo su questa definizione). I principi di questa legge toccano diverse aree della vita reale. Ad esempio, quando inspiri, il diaframma aumenta il volume dei polmoni. La legge di Boyle sostiene che la pressione polmonare diminuisce, facendo sì che la pressione atmosferica riempia i polmoni di aria. Il contrario accade quando espiri. Una siringa si riempie con lo stesso principio tirando lo stantuffo e il volume della siringa aumenta, provocando una corrispondente diminuzione della pressione interna. Poiché il liquido è a pressione atmosferica, scorre nell'area a bassa pressione all'interno della siringa.