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Comportamento di solidi, liquidi e gas (Parte 2)

In questo secondo di due brevissimi video del canale youtube Tecnologia Duepuntozero, partendo dalla teoria atomica si spiega in modo semplice il comportamento di solidi, liquidi e gas.

In particolare, vengono introdotte in modo intuitivo le leggi dei gas perfetti, i concetti di pressione e di reticolo cristallino.

Dopo aver guardato il video, rispondi alle domande sotto elencate.

Completa il seguente schema:

Se può esserti utile, scarica la mappa da completare cliccando sul seguente link:

Domande

  1. Cosa avviene all’interno di un recipiente pieno di vapore?
  2. Come viene schematizzato, nei libri di testo, un recipiente contenente del gas? Disegnalo, indicandone i componenti.
  3. Cosa occorre applicare al pistone, perché resti in equilibrio sotto la spinta del gas?
  4. Cos’è la pressione?
  5. Supponiamo di scaldare il gas contenuto nel recipiente. Cosa accade alla pressione?
  6. Supponiamo di comprimere il gas contenuto nel recipiente. Cosa accade alla temperatura?

Se non ricordi il comportamento dei liquidi e il concetto di calore, guarda di nuovo il primo video su questo argomento:

Comportamento di solidi, liquidi e gas (Parte 1)

Simulazione PhET sulle proprietà dei gas

Esercitazione

  1. Scegli la modalità Esplora. Dedica qualche minuto a giocare con i controlli per vedere cosa succede.

  2. Resetta il sistema con il tasto giallo. Imposta la scala delle temperature in °C. Inserisci delle molecole di gas nel recipiente: trascina la maniglia della pompa completamente verso l’alto e quindi spingila una volta verso il basso. Registra sul quaderno il valore della pressione e della temperatura.

  3. Fornisci energia termica, cioè calore al sistema utilizzando il fornellino sotto il recipiente. Cosa succede alla velocità delle particelle? Cosa succede alla temperatura? Cosa succede alla pressione?

  4. Resetta il sistema con il tasto giallo. Imposta la scala delle temperature in °C. Inserisci delle molecole di gas nel recipiente: trascina la maniglia della pompa completamente verso l’alto e quindi spingila una volta verso il basso. Registra sul quaderno il valore della pressione e della temperatura.
  5. Sposta la parete verticale sinistra del contenitore, in modo che il volume del contenitore si riduca. Cosa succede alla velocità delle particelle? Cosa succede alla temperatura? Cosa succede alla pressione?

 

I gas

Consideriamo il vapore contenuto all’interno di un recipiente.

Le molecole di vapore, separate l’una dall’altra, rimbalzano contro le pareti del recipiente. Immaginiamo una stanza con delle palle da tennis che rimbalzano di qua e di là , in continuo movimento. Quando colpiscono una parete, la spingono come per allontanarla dal centro della stanza.

Questa figura mostra un tipico contenitore dei gas rappresentato in ogni libro di testo, cioè un cilindro, con un pistone libero di muoversi.

Dato che la forma delle molecole d’acqua non ha nessuna importanza, per semplicità le disegniamo come puntini, che si muovono in ogni direzione.

La pressione

Molte delle molecole di vapore acqueo colpiranno il pistone e quindi, per evitare che questo continuo bombardamento spinga il pistone poco per volta fuori dal cilindro, bisogna spingere il pistone dalla parte opposta. Cioè applicare una certa forza al pistone, che chiaramente sarà proporzionale all’area del pistone. Infatti, se si aumenta l’area mantenendo invariata la densità del gas, gli urti con il pistone aumentano di proporzione. La forza che si esercita sull’unità di superficie prende il nome di pressione; la forza totale è data quindi dal prodotto della pressione per l’area.

Come varia la pressione al variare della densità

Ora mettiamo in questo recipiente il doppio di molecole, in modo da raddoppiarne la densità, lasciando invariata la velocità, cioè la temperatura del gas. Allora, con buona approssimazione, il numero di urti verrà raddoppiato e, dato che ciascuno sarà tanto “energico” quanto prima, la pressione sarà più o meno doppia.

Come varia la pressione al variare della temperatura

Osserviamo un’altra cosa: aumentiamo la temperatura lasciando inalterata la densità del gas, cioè aumentiamo la velocità delle molecole senza variare il volume del recipiente. Le molecole colpiscono le pareti più forte perché si muovono più velocemente, e inoltre le colpiscono più spesso. Quindi la pressione aumenta.

Come varia la temperatura al variare della pressione

Consideriamo un’altra situazione. Supponiamo che il pistone si muova verso l’interno, in modo da costringere lentamente gli atomi in uno spazio minore. Cosa succede quando un atomo colpisce il pistone in movimento? E’ chiaro che in seguito all’urto la sua velocità aumenti. Lo si può vedere, per esempio, facendo rimbalzare una pallina da ping-pong contro una racchetta che si muova in avanti: la pallina guadagna velocità. Dunque tutti gli atomi nel recipiente sono “più caldi” dopo aver colpito il pistone, hanno guadagnato velocità, il che significa che un gas si scalda se viene sottoposto a una lenta compressione, e si raffredda sotto una lenta espansione.

I solidi

Ora torniamo alla nostra goccia d’acqua e osserviamone altri aspetti. Supponiamo di raffreddare la goccia, in modo che l’agitarsi delle molecole e degli atomi diminuisca progressivamente. Dopo un po’ essi non riescono più a muoversi con facilità. A temperatura molto bassa la situazione è quella indicata in figura: le molecole restano incastrate in una nuova configurazione, il ghiaccio. In questo materiale ogni atomo ha un suo posto preciso, a differenza dell’acqua. La differenza tra solidi e liquidi consiste nel fatto che in un solido gli atomi sono disposti in una configurazione prestabilita, detta reticolo cristallino. Dalla figura si capisce anche perché l’acqua aumenti di volume quando congela, e il ghiaccio diminuisca di volume quando si scioglie: la struttura cristallina presenta molti “buchi”, è una caratteristica tipica del ghiaccio.

Quasi tutte le sostanze semplici invece, si espandono quando si sciolgono, perché nel cristallo solido, infatti gli atomi sono strettamente stipati, mentre allo stato liquido hanno bisogno di più spazio per muoversi.

La fusione

Cos’è il calore nel caso del ghiaccio? Nonostante la struttura del cristallo sia definita e ordinata, tutti gli atomi vibrano “sul posto”. Aumentando la temperatura vibrano con ampiezza sempre maggiore, finché a forza di agitarsi non si scrollano via dalla loro posizione. Questo è il processo che va sotto il nome di fusione.

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