Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Immaginiamo ora questa enorme goccia d’acqua, con tutte le sue particelle in agitazione che si rincorrono l’un l’altra. L’acqua conserva il suo volume, non si dissolve, e questo è dovuto all’attrazione delle molecole tra loro. Se la goccia è su un piano inclinato, dove può muoversi da un punto all’altro, l’acqua scorre, ma non svanisce (cioè le parti che la compongono non si disperdono), grazie appunto all’attrazione molecolare. Il movimento di agitazione è ciò che noi rappresentiamo come calore: quando aumenta la temperatura aumenta il movimento. Se scaldiamo l’acqua, l’agitazione aumenta, così come aumenta il volume tra gli atomi, finché a un certo punto la forza di attrazione fra le molecole non è più sufficiente a tenerle insieme, ed esse si disperdono separandosi l’una dall’altra. Abbiamo ovviamente appena descritto la produzione di vapore acqueo mediante l’aumento della temperatura: le particelle si staccano e volano via a causa dell’intensificarsi del movimento. Nella figura 2 vediamo una rappresentazione del vapore, che è fuorviante in questo: a pressione atmosferica normale, in un’intera stanza ci sono magari solo poche molecole, e certamente non ne troveremmo tre in uno spazio così piccolo. Quasi tutti i riquadri di queste dimensioni sarebbero vuoti, mentre noi, guarda caso, ne abbiamo due e mezzo (tanto per non lasciare la finestra vuota). Ora, nel vapore le caratteristiche delle molecole si vedono meglio che nell’acqua. Per semplicità nel disegno l’angolo tra gli atomi di idrogeno è di 120°, mentre in realtà misura 105°3’, e la distanza tra il centro di un idrogeno e il centro dell’ossigeno e di 0,957 ; come vedete conosciamo questa molecola molto bene. Vediamo ora alcune proprietà del vapore acqueo (o di qualunque altro gas). Le molecole, separate l’una dall’altra, rimbalzano contro le pareti. Immaginiamo una stanza con delle palle da tennis (diciamo un centinaio) che rimbalzano di qua e di là , in continuo movimento. Quando colpiscono la parete la spingono come per allontanarla dal centro della stanza (e naturalmente bisogna spingere dalla parte opposta, per tenerla al suo posto). Ciò significa che il gas esercita una forza intermittente che i nostri sensi grossolani (non essendo noi ingranditi un miliardo di volte) percepiscono come spinta media; per confinare un gas dobbiamo applicare una pressione. La figura 3 mostra un tipico contenitore ei gas (rappresentato in ogni libro di testo), cioè un cilindro con un pistone. Dato che la forma delle molecole d’acqua non ha nessuna importanza, per semplicità le disegniamo come palle da tennis, o puntini, che si muovono in ogni direzione. Molte di esse colpiranno il pistone, e quindi per evitare che questo continuo bombardamento lo spinga poco per volta fuori dal cilindro bisogna applicargli una certa forza, che chiaramente sarà proporzionale all’area: infatti, se si aumenta l’area mantenendo invariata la densità del gas (il numero di molecole per centimetro cubo), gli urti con il pistone aumentano di proporzione. La forza che si esercita sull’unità di superficie prende il nome di pressione; la forza totale è data quindi dal prodotto della pressione per l’area. Ora mettiamo in questo recipiente il doppio di molecole, in modo da raddoppiarne la densità, lasciando invariata la velocità, cioè la temperatura del gas. Allora, con buona approssimazione, il numero di urti verrà raddoppiato e, dato che ciascuno sarà tanto "energico" quanto prima, la pressione sarà doppia. In realtà, considerando la vera natura delle forze tra gli atomi, ci aspetteremmo, da un lato, una leggera diminuzione della pressione dovuta alle attrazioni fra gli atomi stessi, dall’altro, un leggero aumento per la limitatezza del volume da essi occupato. Ad ogni modo, se la densità è abbastanza bassa, così che non ci siano molti atomi, la pressione, con ottima approssimazione, è proporzionale alla densità. Osserviamo un’altra cosa: se aumentiamo la temperatura lasciando inalterata la densità del gas, cioè aumentiamo la velocità degli atomi, cosa succede alla pressione? Be’, gli atomi colpiscono più forte perché si muovono più velocemente, e inoltre colpiscono più speso, quindi la pressione aumenta. Vedete quanto sono semplici le idee della teoria atomica.

RICHARD P. FEYNMAN