Compressione ed espansione dei gas: i principi fondamentali
La compressione di un gas comporta un’azione che porta una massa di gas da una pressione P1 a una pressione superiore P2 compiendo un lavoro dall’esterno sul sistema. Durante il processo, la massa di gas può subire variazioni di temperatura a seconda delle condizioni in cui avviene la compressione. Quando il dispositivo utilizzato per la compressione è termicamente isolato, si verifica una trasformazione adiabatica e l’aumento di energia del sistema si traduce in un aumento di temperatura del gas. D’altra parte, se il dispositivo consente scambi di calore tra il sistema e l’ambiente, la compressione avviene in condizioni isotermiche, mantenendo costante la temperatura del gas. Tuttavia, è importante sottolineare che tali dispositivi sono ideali e, nella pratica, i processi si avvicinano solo a queste condizioni.
Compressione dei gas ideali
Nella compressione di un gas ideale, gli effetti della compressione isoterma e adiabatica sono determinati dalle leggi termodinamiche rilevanti. Nel caso della compressione adiabatica, le variabili di stato variano contemporaneamente e sono legate da relazioni specifiche. Ad esempio, la legge di Boyle (PV = costante) si applica alla compressione isoterma, mentre per la compressione adiabatica si osservano variazioni delle variabili di stato secondo le seguenti relazioni: PV^γ = costante, TV^γ-1 = costante, TP^1-γ/γ = costante, dove γ rappresenta il rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante. Queste relazioni consentono di calcolare l’aumento di temperatura subito dalla massa di gas durante la compressione adiabatica.
Espansione dei gas
L’espansione dei gas rappresenta il fenomeno inverso della compressione, in cui il gas compie un lavoro verso l’ambiente. Tale espansione può avvenire in modo adiabatico o isotermico, con conseguenze diverse sulla variazione di temperatura del gas e sul calore scambiato con l’ambiente. Un altro tipo di espansione interessante è l’espansione di Joule-Thomson, che comporta la variazione di temperatura di un gas realizzato durante l’espansione attraverso una valvola da un ambiente a pressione elevata a un altro ambiente a pressione inferiore.
Coefficiente di Joule-Thomson
Il coefficiente di Joule-Thomson, rappresentato da μ = ∆T /∆P, indica le variazioni di temperatura in relazione alle variazioni di pressione durante l’espansione. Questo fenomeno può essere analizzato in termini di temperature di inversione, che rappresentano le temperature a cui μ cambia segno, influenzando le condizioni di raffreddamento del gas.
In conclusione, la compressione e l’espansione dei gas sono fenomeni che coinvolgono variazioni di pressione, volume e temperatura, con effetti diversi a seconda delle condizioni in cui avvengono i processi termodinamici.
