Quali sono le tre leggi dei gas? Isoterma, isobara ed isocora. Legge di Boyle, legge di Charles e legge di Gay-Lussac

In questa lezione occupiamoci delle tre principali leggi dei gas: isoterma, isobara ed isocora, conosciute come la legge di Boyle, la legge di Charles e la legge di Gay-Lussac. In questo capitolo denominato “termodinamica” troverete anche lezioni relative a primo principio della termodinamica, secondo principio della termodinamica, macchine termiche, ciclo di Carnot, equazione di stato dei gas perfetti, teoria cinetica dei gas.

le grandezze fisiche macroscopiche che caratterizzano un gas

Un gas macroscopicamente è caratterizzato da tre grandezze fisiche dette variabili di stato: il volume, la pressione, la temperatura. È interessante studiare queste grandezze ma soprattutto diventa interessante studiare come queste grandezze varino soprattutto quando una di queste viene mantenuta costante, in questa prospettiva vengono inquadrate le cosiddette tre leggi dei gas.

le tre leggi dei gas

Le tre principali leggi dei gas vengono costruite ognuna mantenendo una delle grandezze e costante e vedendo variare le altri due. Così si definisce la prima trasformazione nella quale la temperatura viene mantenuta costante e variano pressione e volume, la seconda trasformazione nella quale viene mantenuta la pressione costante e variano temperatura e volume e la terza trasformazione nella quale viene mantenuto il volume costante e variano temperatura e pressione.

temperatura in Celsius e temperatura in Kelvin

Prima di affrontare lo studio delle trasformazioni è importante ribadire che la temperatura si può esprimere sia in gradi Celsius che in gradi Kelvin. Molto spesso è utile esprimerla direttamente in gradi Kelvin perché le leggi risultano più semplici utilizzando la temperatura in gradi kelvin, si parla in questo caso di temperatura assoluta. Se volete rivedere come passare da gradi Celsius a gradi kelvin riguardate la lezione sulle scale termometriche

prima legge, la legge di Boyle

La legge di Boyle descrive una trasformazione isoterma: se la temperatura viene mantenuta costante ovvero se un gas chiuso in un contenitore viene compresso lentamente allora pressione e volume sono inversamente proporzionali ovvero variano e vedremo il primo diminuire ed il secondo aumentare e viceversa. Questa inversa proporzionalità è espressa dalla legge di Boyle che dice che il prodotto della pressione e del volume in un determinato stato è uguale al prodotto della pressione del volume in un altro stato ovvero il prodotto di pressione e volume stato per stato si mantiene costante

Il grafico che otterremo della pressione in funzione del volume sarà un ramo di parabola nel primo quadrante

seconda legge, la legge di Charles 

La legge di Charles anche detta prima legge di Gay-Lussac descrive una trasformazione isobara: se la pressione viene mantenuta costante ovvero se un gas viene riscaldato o raffreddato gradualmente allora questo tende ad espandersi oppure a restringersi e contemporaneamente la sua temperatura assoluta aumenta oppure diminuisce. Dunque volume e temperatura assoluta sono direttamente proporzionali ovvero il loro rapporto è costante, stato per stato.

Il grafico che otterremo del volume in funzione della temperatura sarà una retta passante per l’origine degli assi nel primo quadrante. Attenzione perché in questo caso stiamo considerando la temperatura in gradi Kelvin.

terza legge, la legge di Gay-Lussac

La legge di Gay-Lussac, in questo caso si tratta della seconda legge di Gay-Lussac descrive una trasformazione isocora: se il volume viene mantenuto costante ovvero se si riscalda un gas bloccando lo stantuffo mobile il volume non cambierà ma naturalmente il gas si riscalderà e gli urti delle molecole del gas con le pareti aumenteranno dunque aumenterà anche la pressione. Anche in questo caso temperatura assoluta e pressione sono direttamente proporzionali ed il loro rapporto stato per stato è costante.

Il grafico che otterremo della pressione in funzione della temperatura sarà una retta passante per l’origine degli assi nel primo quadrante. Attenzione perché anche in questo caso stiamo considerando la temperatura in gradi kelvin.

leggi dei gas con temperatura in gradi Celsius

Se consideriamo la temperatura in gradi Celsius la seconda e la terza legge di gas vanno riviste: in questo caso infatti c’è una dipendenza lineare di una grandezza in funzione dell’altra. Per capire come la legge varia guardate direttamente la video lezione.