Gas: variabili di stato e tipologie di trasformazioni

Ogni sostanza, a seconda della pressione e della temperatura cui è sottoposta, si può presentare in tre stati: solido, liquido, aeriforme. I gas non hanno, a differenza degli altri due, un volume proprio ma occupano tutto lo spazio disponibile che dipende dalla pressione e dalla temperatura. 

Quando si ha a che fare coi gas si preferisce utilizzare come grandezza fisica la quantità di sostanza, la cui unità di misura è la mole (mol). Essa è definita come la quantità di sostanza contenente un certo numero di atomi o particelle, conosciuto come numero di Avogadro, pari a circa 6.023 x 10²³. Un’altra grandezza molto importante è la massa molare che esprime in grammi la massa di una mole di sostanza.

Lo stato fisico di un quantitativo di gas è caratterizzato da tre variabili di stato che sono la temperatura, la pressione e il volume. Variando i valori di queste grandezze hanno origine le trasformazioni termodinamiche: da uno stato iniziale, caratterizzato da determinati valori di pressione, volume e temperatura, si giunge a uno stato finale caratterizzato da altri e nuovi valori.
Ci sono tre tipi di trasformazione fisiche particolarmente importanti, governate da altrettante leggi termodinamiche:

• Trasformazioni isoterme: avvengono a temperatura costante, mentre variano la pressione e il volume. Da esperimenti inerenti questo tipo di trasformazione è emerso che la pressione e il volume di un gas sono inversamente proporzionali. Il risultato esprime la legge elaborata da Boyle-Mariotte: $$pV=k$$ dove $p$ indica la pressione (che si misura in Pascal, Pa), $V$ il volume (che si misura in m³) e $k$ è una costante di proporzionalità. La trasformazione può essere rappresentata sul piano di Clapeyron, che riporta sull’asse delle ascisse i valori del volume e sull’asse delle ordinate i valori della pressione.

• Trasformazioni isobare: avvengono a pressione costante, mentre variano la temperatura e il volume. Studiando questa tipologia di trasformazione è stato ricavato un altro principio secondo cui la variazione di un volume del gas è direttamente proporizionale alla variazione di temperatura. Si tratta di ciò che ci dice la prima legge di Gay-Lussac: $$V = V_0(1 +\alpha\Delta t)$$ Dove $V$ è il volume finale; $V_0$ è il volume atemperatura di zero gradi centigradi, e il coefficente $\alpha$, chiamato coefficiente di dilatazione dei gas a pressione costante, è pari a 0,00366 K^-1 (ottenuto come l'inverso della temperatura in gradi centigradi dello zero assoluto: (273,15 K)^-1). La rappresentazione grafica, con temperatura in ascissa e volume in ordinata, è una semiretta che interseca l’asse delle ordinate in corrispondenza del valore $V_0$ e il suo coefficiente angolare è pari a $\alpha$

• Trasformazioni isocore: avvengono a volume costante, mentre variano la temperatura e la pressione. La variazione di pressione del gas, in questo caso, è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura secondo la seguente equazione detta equazione di Charles (o seconda legge di Gay - Lussac): $$p=p_0(1+\beta\Delta t)$$ Dove $p$ è la pressione, $p_0$ la pressione a temperatura di 0 gradi centigradi e $\beta$ il coefficiente di dilatazione del gas a volume costante il cui valore coincide con quello di $\alpha$. La rappresentazion grafica, con temperatura in ascissa e pressione in ordinata, è una semiretta che interseca l’asse delle ordinate nel punto $p_0$ e ha per coefficiente angolare $\beta$.