Elementi di Fisica e applicazioni Carlo Elce

Elementi di Fisica e applicazioni
Carlo Elce
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I Gas
Legge di Charles
La legge di Charles esprime la relazione fondamentale volumetemperatura dei gas, che un chimico francese, Jacques Charles (1746-1823), scoprì nel diciottesimo
secolo. Tuttavia Jacques Charles è famoso soprattutto per gli esperimenti con i palloni aerostatici.
Legge di Charles (relazione volume-temperatura): Quando la pressione e la quantità di un gas vengono
mantenute costanti, il suo volume è direttamente proporzionale alla sua temperatura in Kelvin.
Volume
Temperatura (in K)
= costante
Temperatura iniziale:
T1
Volume iniziale:
V1
Temperatura finale:
T2
Volume finale:
V2
Poiché
V1 V2
T1 T2
costante
Questa equazione può essere risolta per tutte le quattro variabili.
Volume finale:
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T2
V 2 V 1.
T1
Come cambia il volume di un campione di gas di 500 mL, dato un aumento della temperatura da 273K
a 300K?
T1
273. K
T2
300. K
V1
500. mL
V2
V 1.
T2
T1
V 2 = 549.451 mL
Il gas Argon è utilizzato nella fabbricazione di microchip. Una
V1
T
massa di argon occupa un volume
alla temperatura 1 .
Come varia il volume della stessa massa di argon con la
temperatura a pressione costante?
Un wafer di silicone viene diagnosticato dopo un processo
chimico che utilizza l'argon per creare un ambiente inerte
controllato. I microcircuiti saranno inseriti nel cuore del
microchip.
V1
3
400. cm
T1
373. K
Per la legge di Charles:
Qui c'è la stessa equazione, ma sottoforma di funzione.
V2 T
V 1.
T
T1
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Facciamo il grafico del volume V in funzione della temperatura T variabile da 150 K a 600 K.
i
50 .. 200
Ti
i. 3. K
800
T1
600
V2 T
3
cm
K
i
V1
400
3
cm
200
0
100
200
300
400
T
500
600
i
K
La proporzionalità diretta risulta dalla linea del grafico. Potete usare questa rappresentazione per
trovare il volume del campione in cm3 ad una data temperatura.
Nota: mL e cm3 sono unità di volume equivalenti:
3
1. cm = 1 mL
Un'idea per l'esplorazione di Marte senza umani coinvolge un pallone ermetico che trasporta degli
strumenti. Durante la notte marziana, il gas del pallone si raffredda e si contrae, facendo in modo che il
pallone si sgonfi e scenda sulla superficie. Al mattino i raggi del sole scaldano il gas che si espande,
gonfiando il pallone. Il pallone allora si solleva nel cielo marziano e viaggia per chilometri fino a notte.
T notte
V
del gas nel pallone su marte di notte è:
Il volume interno notte e la temperatura
3
V notte 10. m
T notte 150. K
La temperatura del gas
T giorno 300. K
T day
nel pallone su Marte durante il giorno è:
Per cui, per la legge di Charles, il volume interno
giorno è:
V notte
.T
V giorno
T notte giorno
V giorno
del gas all'interno del pallone su Marte di
3
V giorno = 20 m
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