Joule e Thomson eseguirono un’importante esperimento per determinare la dipendenza dell’energia interna di un gas ideale dalle coordinate termodinamiche..
ESPERIMENTO:
- Un contenitore a pareti rigide e diatermiche è costituito da due parti (non per forza uguali)
separate da un rubinetto.
- La
parte sinistra contiene gas, in quella destra è stato fatto il vuoto.
- Il contenitore è immerso in un calorimetro.
- Il termometro permette di rilevare l’eventuale cambiamento di temperatura del fluido calorimetrico
segnalando in tal modo uno scambio di calore tra gas e calorimetro.
- La temperatura di equilibrio sia "T".
- Si apre il rubinetto e si lascia espandere il gas nella parte destra del contenitore.
- Il processo è irreversibile.
- L'espansione è detta "libera" perchè non ci sono forze esterne agenti sul gas.
- Sperimentalmente si osserva che la temperatura rimane invariata.
- Il gas, quindi, non scambia calore con l'ambiente: [Q=0]
- Non scambia neanche lavoro con l'ambiente: [L:0]
- Dal 1°principio segue che ΔU=0
- Nell'espansione libera l'energia interna di un gas ideale non varia.
- In realtà si osserva una piccola variazione di temperatura, tanto più piccola quanto più il gas è
vicino alle condizioni del gas ideale.
- Si assume quindi che per un gas ideale si avrebbe variazione di temperatura "nulla".
- Nella trasformazione il gas cambia sia pressione che volume, ma l'energia interna non varia.
- in conclusione, "l'energia interna del gas ideale può dipendere solo dalla temperatura"
U=U(T)
Vorrei fare osservare che il principio secondo cui un gas si espande liberamente senza produzione di lavoro è palesemente falso. Infatti, se prendiamo il classico esperimento di Joule, nel momento in cui il recipiente A contenente gas viene messo in comunicazione con il recipiente B vuoto, le molecole di gas subiscono una accelerazione in direzione del recipiente B. Per la terza legge di Newton la forza che le ha accelerate genererà, seppure per un brevissimo istante prima che la pressione si equalizzi tra i due recipienti, una forza uguale e contraria che sarà applicata alle pareti del recipiente A, in particolare la forza esercitata sulla parete verticale potrebbe generare uno spostamento del recipiente se questo fosse mobile, e questo dimostra che è stato compiuto un lavoro.
RispondiEliminaA maggiore conferma di ciò, basta immaginare una situazione in cui il recipiente B abbia dimensioni infinite, in modo che la pressione resti sempre nulla, e che nel recipiente A sia presente un sistema di pressurizzazione che ricambia il gas mano a mano che questo fuoriesce. In queste condizioni è evidente che la forza di reazione newtoniana resterebbe costante nel tempo, spingendo il recipiente A in direzione contraria a quella di fuoriuscita del gas. Se ad esempio il recipiente fosse dotato di ruote subirebbe una accelerazione e si metterebbe in movimento a velocità costante, cosa che sarebbe evidentemente impossibile se l'espansione libera del gas non producesse lavoro.
Accelerazione? E perché mai? Semplicemente, non trovando più una parete rigida che le faccia rimbalzare, proseguono attraverso il varco con la velocità che hanno
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