Tutorial di fisica di base

Se osserviamo attentamente, inizialmente si può notare il fumo della combustione. Dopo un po', il fumo non è più visibile. Avete mai usato del profumo? Anche se lo spruzzate nella stanza, le persone fuori casa possono comunque percepirne la fragranza. Se la mamma cucina un piatto delizioso e appetitoso in cucina, l'aroma si può sentire anche dalla casa del vicino. Perché succede questo?

Esistono molti altri esempi. Se si versano alcune gocce di inchiostro in un bicchiere contenente acqua limpida, l'inchiostro o il colorante alimentare si diffonderanno uniformemente nell'acqua. Questo avviene automaticamente. Alcuni esempi precedenti riguardano fenomeni di diffusione che si verificano spesso nella vita di tutti i giorni. La diffusione è il processo di spostamento di sostanze da una zona ad alta concentrazione a una a bassa concentrazione. Per concentrazione si intende il numero di molecole/moli di una sostanza per unità di volume. Un luogo ad alta concentrazione è un luogo in cui sono presenti molte molecole di una sostanza per unità di volume. Al contrario, un luogo a bassa concentrazione è un luogo in cui sono presenti poche molecole per unità di volume.

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Energia in un gas ideale monoatomico

L'energia in un gas ideale monoatomico è la quantità totale di energia cinetica traslazionale delle molecole del gas ideale monoatomico. La quantità totale di energia cinetica traslazionale delle molecole del gas ideale = prodotto dell'energia cinetica traslazionale media di ciascuna molecola e del numero di molecole (N). Matematicamente:

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Il teorema di equipartizione dell'energia è stato derivato teoricamente da Clerk Maxwell utilizzando la meccanica statistica. Viene definito teorema perché non esiste una dimostrazione sperimentale. La partizione dell'energia implica una distribuzione equa dell'energia.

KE = energia cinetica traslazionale media delle molecole di gas (Joule)

k = costante di Boltzmann = 1.38 x ^10⁻²³ J/K

T = temperatura assoluta della molecola del gas ideale (Kelvin)

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Oltre alla pressione, una delle grandezze che descrive la natura macroscopica di un gas è la temperatura (T). Equazione della pressione dei gas:

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La teoria cinetica afferma che ogni sostanza è composta da atomi o molecole e che questi si muovono continuamente e senza sforzo. Questa ipotesi della teoria cinetica si adatta alla situazione e alle condizioni degli atomi o delle molecole che compongono un gas. La forza di attrazione tra gli atomi o le molecole che costituiscono il gas è debole, quindi gli atomi o le molecole possono muoversi liberamente.

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Articolo Legge di Boyle, legge di Charles, legge di Gay-Lussac

legge di Boyle

Robert Boyle (1627-1691) condusse esperimenti per studiare la relazione quantitativa tra pressione e volume di un gas. Questo esperimento consisteva nell'introdurre una certa quantità di gas in un contenitore chiuso. Dopo aver ottenuto risultati piuttosto precisi, scoprì che, mantenendo costante la temperatura del gas, all'aumentare della pressione il volume del gas diminuiva. Analogamente, al diminuire della pressione, il volume del gas aumentava. La pressione del gas è inversamente proporzionale al volume del gas. Questa relazione è nota come Legge di Boyle. Matematicamente:

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Le leggi dei gas di Boyle, Charles e Gay-Lussac non si applicano a tutte le condizioni dei gas, quindi la nostra analisi diventa più complessa. Per questo motivo, abbiamo introdotto il modello del gas ideale. Il gas ideale non esiste nella vita di tutti i giorni; il gas ideale rappresenta la forma perfetta per facilitare l'analisi. L'esistenza di questo concetto di gas ideale ci aiuta anche a rivedere la relazione tra le tre leggi dei gas.

La relazione tra temperatura, volume e pressione del gas

Facendo riferimento alle tre leggi dei gas sopra menzionate, possiamo ricavare una relazione più generale tra temperatura, volume e pressione del gas.

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La formulazione specifica della seconda legge della termodinamica non può descrivere tutti i processi irreversibili, quindi abbiamo bisogno di una formulazione generale. Ci si aspetta che questa formulazione generale spieghi tutti i processi irreversibili che avvengono nell'universo. La formulazione generale della seconda legge della termodinamica fu formulata a metà del XIX secolo, attraverso una grandezza chiamata entropia (S). L'entropia fu introdotta per la prima volta da Clausius e fu formulata a partire dal ciclo di Carnot (motore calorico perfetto). Secondo Clausius, un sistema subisce variazioni di entropia quando riceve calore aggiuntivo (Q) a temperatura costante, che è rappresentato dall'equazione:

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Articolo sul coefficiente di prestazione della macchina di raffreddamento

Una macchina frigorifera è una macchina che preleva calore da un luogo a bassa temperatura e lo trasferisce a un'area ad alta temperatura. Affinché questo processo avvenga, la macchina deve compiere lavoro, poiché il calore fluisce naturalmente da una zona ad alta temperatura a una a bassa temperatura. Questo è quanto afferma Clausius:

È impossibile per una macchina di raffreddamento trasferire calore da un luogo a bassa temperatura a un luogo ad alta temperatura senza compiere lavoro (Secondo principio della termodinamica - Enunciato di Clausius).

La macchina compie un lavoro (W) per trasferire calore da una temperatura bassa (Q _L ) a una temperatura alta (Q _H ). In base alla conservazione dell'energia, Q _L + W = Q _H.

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Per scoprire come aumentare l'efficienza della macchina termica , uno scienziato francese di nome Sadi Carnot (1796-1832) esaminò nel 1824 una macchina termica teorica ideale. A quel tempo, né la prima né la seconda legge della termodinamica erano state formulate. La prima legge non era stata formulata perché gli scienziati non sapevano ancora che il calore è energia. Dopo gli esperimenti di Joule e dei suoi colleghi negli anni '1830 del XIX secolo, gli scienziati scoprirono che il calore è energia che si muove a causa delle differenze di temperatura. Pertanto, la prima legge della termodinamica fu formulata dopo il 1830. Sadi Carnot stava studiando la macchina termica teorica ideale nel 1824. La sua ricerca mirava in realtà ad aumentare l'efficienza della macchina a vapore. La maggior parte delle macchine a vapore dell'epoca erano poco efficienti.

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