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Grandezze di stato
Un sistema in equilibrio è caratterizzato da valori stabili di alcune grandezze macroscopiche dette di stato: le grandezze di stato fondamentali sono la temperatura, il volume e la pressione.
Ogni corpo può essere considerato a sua volta come un sistema costituito dalle particelle elementari (molecole) che lo compongono.
Le grandezze che si riferiscono alle particelle componenti sono dette microscopiche. Tali sono, per esempio, la massa, la velocità, l'energia cinetica di ogni molecola. Le grandezze riferite al sistema nel suo complesso sono dette macroscopiche.
Grandezze macroscopiche o microscopiche non hanno nulla a che vedere con valori elevati o meno. Le velocità delle particelle di un gas hanno in genere valori altissimi,
- Voto in fisica dell'alunno più bravo
- Altezza media degli alunni
- Cognome degli alunni
- Media della classe nel I quadrimestre
- Giudizio dei docenti sulla classe
- Giudizio sull'alunno Rossi Mario
Tutto ciò che si riferisce alla media della classe è macroscopico (altezza media, voto medio, giudizio del consiglio sulla classe), mentre le caratteristiche dei singoli alunni (voto in fisica, cognome, giudizio su Rossi Mario) sono microscopiche.
Temperatura
La temperatura è una proprietà che caratterizza lo stato di un corpo in equilibrio termico con l'ambiente in cui si trova.
Se un sistema è in equilibrio termico con l'ambiente (Ts = Ta), non ci sono scambi di calore tra sistema e ambiente o tra i diversi elementi del sistema
La temperatura è una grandezza macroscopica: si può parlare di temperatura del sistema, ma non ha alcun senso parlare di molecole "calde" o "fredde".
Volume
I corpi solidi e liquidi hanno un volume proprio che può variare con la temperatura (dilatazione termica) e, in misura molto minore, con la pressione. Solidi e liquidi sono praticamente incompressibili. I gas invece non hanno un volume proprio ma occupano tutto il volume a loro disposizione, a causa del movimento caotico delle particelle microscopiche che li compongono e che sono libere di muoversi in qualsiasi direzione spaziale.
Il volume occupato da un gas (grandezza macroscopica), quindi, è molto maggiore del volume proprio (grandezza microscopica) delle molecole (che è quasi nullo).
L'unità di misura SI del volume è il m3, ma spesso si usa il dm3 o litro.
Pressione
La pressione è una grandezza fisica scalare definita come rapporto tra una forza che agisce perpendicolarmente ad una superficie e la superficie stessa
pressione = forza normale / superficie
La pressione è quindi, a parità di forza premente, inversamente proporzionale alla superficie. Il fatto di sprofondare o meno nella neve non dipende tanto dal peso, quanto dalla pressione esercitata sulla superficie nevosa. Gli sci (come anche le racchette da neve) offrono una grande superficie e quindi causano una pressione minore. Analogamente camminare sui tacchi a spillo esercita sul pavimento una pressione maggiore che usare pantofole.
L'unità di misura SI della pressione è il pascal (simbolo Pa):
Questa unità di misura è veramente molto piccola: si pensi che corrisponde
alla forza di 1 N (circa il peso di un limone) distribuita su una superficie
di 1 m2. In genere la pressione si misura con multipli
del pascal come il kPa o il bar (1 bar = 105 Pa).
La pressione atmosferica, cioè la pressione esercitata su ogni corpo dall'aria
che ci circonda, vale, al livello del mare, circa 1 bar
Questo significa che, generalmente, un corpo solido o liquido si trova alla pressione atmosferica e che le trasformazioni di volume e temperatura avvengono a pressione costante. La pressione di un gas, invece, può variare facilmente.
Consideriamo una certa quantità di aria chiusa in un cilindro a tenuta
stagna con un pistone libero di scorrere all'interno del cilindro:
la pressione sul gas può essere facilmente modificata agendo sul pistone.
All'equilibrio la pressione esterna (dall'ambiente al gas) è uguale a quella
interna (dal gas verso l'ambiente) esercitata dalle molecole del gas sulle
pareti interne.
Diagramma pressione - volume
Lo stato di un gas è rappresentato da tre parametri: la temperatura, il volume, la pressione. Avremmo bisogno quindi di una rappresentazione grafica tridimensionale (un asse per ogni paramentro). Dovendo utilizzare una rappresentazione bidimensionale, si devono scegliere solo due grandezze: usualmente si usano diagrammi pressione - volume.
Un punto in un diagramma p-V rappresenta lo stato di un gas. Le coordinate cartesiane informano sui valori di volume e pressione, mentre la temperatura è generalmente indicata vicino al punto.
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