Secondo la teoria molecolare cinetica, un gas è costituito da un gran numero di minuscole molecole, tutte in costante movimento casuale, che si scontrano tra loro e con il contenitore che le contiene. La pressione è il risultato netto della forza di quegli urti contro la parete del contenitore e la temperatura determina la velocità complessiva delle molecole. Diversi esperimenti scientifici illustrano le relazioni tra temperatura, pressione e volume del gas.
Palloncino in Azoto Liquido
L'azoto liquido è un gas liquefatto economico disponibile presso la maggior parte dei distributori di saldatura industriale; la sua temperatura estremamente bassa consente di dimostrare in modo drammatico diversi principi della teoria cinetica molecolare. Sebbene sia relativamente sicuro, lavorarci richiede l'uso di guanti criogenici e occhiali di sicurezza. Procurati qualche litro di azoto liquido e un contenitore di polistirolo aperto come un secchiello da picnic. Gonfia un palloncino da festa e legalo. Versare l'azoto liquido nel contenitore e posizionare il palloncino sopra il liquido. In pochi istanti vedrai il palloncino restringersi notevolmente fino a sgonfiarsi completamente. Il freddo estremo rallenta le molecole nel gas, riducendo anche la pressione e il volume. Rimuovere con cautela il palloncino dal contenitore e appoggiarlo sul pavimento. Man mano che si riscalda, si espanderà fino alle dimensioni precedenti.
Pressione e volume con temperatura costante
Se si modifica lentamente il volume di un contenitore di gas, cambia anche la pressione, ma la temperatura rimane stabile. Per dimostrarlo, è necessaria una siringa ermetica contrassegnata in millilitri e un manometro. Per prima cosa, estrai la siringa in modo che il pistone sia al suo segno più alto. Annotare la lettura della pressione e il volume della siringa. Premere il pistone della siringa di 1 millilitro e annotare la pressione e il volume. Ripeti il processo alcune volte. Quando moltiplichi il volume per la pressione per ogni lettura, dovresti ottenere lo stesso risultato numerico. Questo esperimento illustra la legge di Boyle, che dice che quando la temperatura è costante, anche il prodotto della pressione e della temperatura sono costanti.
Accenditore a compressione
Un accenditore a compressione è un dispositivo dimostrativo costituito da un pistone all'interno di un cilindro trasparente chiuso. Se si inserisce un pezzo di carta velina nel cilindro e si avvita il tappo, quindi si colpisce l'impugnatura del pistone con la mano, l'azione comprime rapidamente l'aria all'interno. Questo produce una condizione chiamata riscaldamento adiabatico: improvvisamente confinata in uno spazio più piccolo, l'aria diventa abbastanza calda da accendere la carta.
Stima dello zero assoluto
Un apparato a volume costante è costituito da un bulbo metallico con attaccato un manometro. Il bulbo contiene aria ad una pressione di 14,7 PSI. Usando questo dispositivo, puoi stimare la pressione quando la temperatura è zero assoluto. Per fare questo avrai bisogno di tre contenitori: uno contenente acqua bollente, un altro contenente acqua ghiacciata e un terzo contenente azoto liquido. Immergere il bulbo metallico nel bagno di acqua calda e attendere alcuni minuti affinché la temperatura si stabilizzi. Annota la pressione indicata sul manometro, insieme alla temperatura in kelvin - 373. Quindi, posizionare il bulbo nel bagno di acqua ghiacciata e annotare nuovamente la pressione e la temperatura, 273 kelvin. Ripetere con l'azoto liquido a 77 kelvin. Utilizzando carta millimetrata, segnare i punti registrati, con la pressione sull'asse y e la temperatura sull'asse x. Dovresti essere in grado di tracciare una linea abbastanza retta attraverso i punti che intersecano l'asse y, indicando la pressione quando la temperatura è zero kelvin.