Il Teorema di equipartizione dell’energia nei gas
Il teorema di equipartizione dell’energia afferma che l’energia cinetica media di una molecola in un gas viene equamente distribuita tra i suoi diversi gradi di libertà.
Secondo la teoria cinetica dei gas, le molecole possono essere rappresentate come sfere rigide, senza interazioni attrattive o repulsive, e animatesi da moti disordinati in tutte le direzioni, collidono tra loro e con le pareti del contenitore in urti perfettamente elastici.
Le diverse forme di energia
Le molecole, a una data temperatura, possiedono diverse forme di energia, tra cui l’energia traslazionale (ovvero l’energia cinetica della particella che si sposta nello spazio con una determinata velocità), l’energia rotazionale (per le molecole poliatomiche che possono ruotare intorno al loro baricentro), l’energia vibrazionale (dovuta all’oscillazione degli atomi intorno a una posizione di equilibrio) e l’energia elettronica (relativa ai livelli energetici occupati dagli elettroni nella molecola).
Oltre a queste forme di energia, che costituiscono l’energia termica, si deve sommare l’energia al punto zero per ottenere l’energia totale.
Il Teorema di equipartizione dell’energia
Il teorema di equipartizione dell’energia afferma che per ogni moto elementare o grado di libertà in cui si può scomporre il moto complessivo di una particella, esiste un contributo all’energia totale pari a 1/2 k T o 1/2 RT per una mole.
Per un gas monoatomico, l’energia traslazionale è l’unica forma di energia termica posseduta dal gas. Le molecole poliatomiche, oltre al moto di traslazione, possiedono anche un moto di rotazione intorno al proprio baricentro.
Le energie specifiche per le diverse molecole
Per le molecole biatomiche, la corrispondente energia di rotazione sarà pari a k T per molecola, mentre per molecole triatomiche lineari come il CO2, le molecole non lineari come l’H2O, e molecole poliatomiche con n atomi, i gradi di libertà vibrazionali e le corrispondenti energie possono variare.
Conclusioni
L’energia media di una molecola in un gas si distribuisce equamente tra le varie forme di energia e corrisponde alla temperatura del gas stessa. Questi principi sono fondamentali nella comprensione del comportamento dei gas e delle molecole al loro interno.