I gas ideali: cosa sono e quali sono le loro caratteristiche

Il concetto di gas ideale rappresenta un modello teorico che ha permesso agli scienziati di comprendere meglio il comportamento dei gas in diverse condizioni. Questo perché, prima di poter affrontare la complessità dei gas reali, gli scienziati avevano bisogno di un modello semplificato, un “ideale", per avere una base da cui partire. In questo contesto, i gas ideali sono diventati l’archetipo per studiare le proprietà fondamentali e le leggi dei gas, offrendo una visione chiara e comprensibile di un mondo altrimenti molto complesso da gestire.

• Cosa sono i gas ideali
• Proprietà dei gas ideali
• Legge di stato dei gas ideali
• I gradi Kelvin
• Il numero delle moli dei gas ideali
• Conseguenze della legge di stato dei gas ideali

Cosa sono i gas ideali

I gas ideali sono un concetto teorico, una semplificazione del comportamento dei gas reali. Questo modello assume che le particelle di un gas non abbiano volume e che non ci siano forze di attrazione tra di loro, il che, ovviamente, non è vero per i gas reali. Ma perché chiamarli “ideali"? La denominazione deriva proprio dal fatto che rappresentano una condizione “ideale" o “perfetta" in cui i gas si comporterebbero secondo leggi matematiche precise senza le complicazioni introdotte dalle interazioni tra particelle.

La nascita del concetto di gas ideale risale al XVII secolo, ma fu nel XVIII e XIX secolo che scienziati come Boyle, Charles e Avogadro formularono le leggi che descrivono il comportamento dei gas. Queste leggi, quando combinate, portano all’equazione di stato dei gas ideali, una formula matematica che lega pressione, volume, temperatura e quantità di gas.

Le caratteristiche principali dei gas ideali possono essere riassunte come segue:

1. Molecole non interagenti: si assume che non ci siano forze di attrazione o repulsione tra le molecole di un gas ideale.
2. Volume molecolare trascurabile: le molecole di un gas ideale sono considerate puntiformi, il che significa che il loro volume è trascurabile rispetto al volume totale del gas.
3. Energia cinetica: l’energia delle molecole di un gas ideale dipende solo dalla temperatura.
4. Compressibilità: i gas ideali sono altamente compressibili e si espandono per occupare tutto il volume disponibile.

Nonostante le sue semplificazioni, il modello del gas ideale ha avuto un impatto fondamentale nello sviluppo della termodinamica e nella comprensione del comportamento macroscopico dei gas.

Proprietà dei gas ideali

Le proprietà di un gas ideale dipendono dal comportamento delle sue particelle. Esse costituiscono la materia allo stato gassoso e possiedono un’energia cinetica (energia di movimento delle stesse) che prevale sulle forze di reciproca attrazione. Questo significa che, siccome non sono portate ad attrarsi tra di loro, lasciano modo all’intero gas di occupare tutto lo spazio disponibile. I gas non hanno perciò né forma né volume propri; un gas ideale tenderà ad assumere la forma del recipiente chiuso in cui esso è contenuto.

Legge di stato dei gas ideali

Tutti i gas ideali possiedono proprietà fisiche simili. Il loro comportamento in relazione a variazioni di pressione, volume e temperatura è descrivibile in base alla seguente legge di stato:

£$pV = nRT$£

Dove:

£$p$£ è la pressione del gas, espressa in Pascal, £$[Pa]$£

£$V$£ è il volume del gas, espresso in £$[m^{3}]$£

£$T$£ è la temperatura del gas, espressa in gradi Kelvin, £$[K]$£

£$n$£ è il numero di moli del gas, espresso in £$[mol]$£

£$R$£ è una costante uguale per tutti i gas a £$8.314 \big[\dfrac{J}{K \cdot mol}\big]$£ ( £$J$£, Joule – £$K$£, Kelvin – £$mol$£, moli)

I gradi Kelvin

Per esprimere la temperatura di un gas si possono utilizzare diverse unità di misura. Generalmente, siamo soliti avere maggiore familiarità con i gradi centigradi (o Celsius) ma nell’equazione di stato dei gas perfetti la temperatura va sempre considerata in gradi Kelvin per non commettere errori di calcolo. Ricordiamoci dunque che la conversione tra le due unità di misura è la seguente:

£$T_{Kelvin} = T_{Celsius} + 273.15$£

Quindi, data una temperatura in gradi Celsius, sarà sufficiente aggiungere la costante £$273.15$£ per poter ottenere il valore espresso in gradi Kelvin.

Il numero delle moli dei gas ideali

Nell’equazione di stato dei gas perfetti compare una quantità con la quale non si è abituati ad avere a che fare: il numero di moli. Si tratta di una grandezza che esprime il numero delle particelle presenti all’interno del gas che si sta analizzando.

Nello specifico, una mole corrisponde ad un numero fisso di atomi o molecole, detto numero di Avogadro e pari a £$6.022 \cdot 10^{23}$£. Questa costante viene utilizzata per poter descrivere con più semplicità l’altissimo numero di atomi o molecole presenti in un gas. Pensa infatti a come risulta molto più semplice affermare che “un dato gas è costituito da 2 moli di atomi" rispetto a precisare che “esistono £$12.044 \cdot 10^{23}$£ atomi all’interno di esso"! Il numero di moli può inoltre essere descritto dalla seguente relazione:

£$n = \dfrac{M}{M_m}$£

Dove:

£$M$£ è la massa del gas, espressa in grammi, £$[g]$£

£$M_m$£ è la massa molare del gas, la quale esprime la massa dello stesso in relazione al numero di particelle che lo costituiscono e si misura in £$[\frac{g}{mol}]$£

Note la massa e la massa molare del gas potremo quindi calcolarne il numero di moli.

Conseguenze della legge di stato dei gas ideali

La legge di stato dei gas perfetti ci permette di giungere a diverse conclusioni riguardo il comportamento delle loro proprietà fisiche. Osservando i termini che compaiono nella relazione possiamo infatti dedurre che esistono delle relazioni di diretta e inversa proporzionalità tra le quantità descritte. Inoltre, immaginando di fissare una delle proprietà fisiche in gioco, possiamo indagare ulteriormente sul comportamento delle restanti.

A partire da questo concetto è possibile definire ulteriori leggi fisiche, ricavabili dall’equazione di stato dei gas perfetti.