Legge dei gas perfetti
L’aria può essere considerata con buona approssimazione una miscela di gas perfetti ed è a tutti gli effetti un fluido, ovvero non ha volume e forma propria ma assume quella del contenitore che la ospita. L’aria è quindi comprimibile, ovvero il suo volume può cambiare e con esso possono cambiare anche la sua temperatura e la sua pressione, che sono tre grandezze termodinamiche legate dalla legge dei gas perfetti, indicata di seguito:
PV=nRT
Dove P è la pressione del fluido, V il suo volume, n il suo numero di moli, T la sua temperatura ed R un valore costante.
Aria calda: perché sale verso l’alto
Secondo la legge dei gas perfetti appena vista, quando una massa d’aria si riscalda il suo volume aumenta (considerando pressione e numero di moli costante): quindi nello stesso volume in cui prima c’era una certa quantità d’aria, dopo il riscaldamento la quantità d’aria diminuisce, ovvero l’aria è meno densa, cioè è più leggera. Essendo quindi una certa massa di aria calda meno densa dell’aria più fredda che la circonda, essa risente dell’effetto della spinta di Archimede e quindi sale verso l’alto.
Abbiamo visto che l’aria calda tende a salire di quota… allora ad alte quote, in montagna ad esempio, l’aria dovrebbe essere più calda che mai? Il ragionamento ha senso, ma non tiene conto di altre conseguenze della legge dei gas perfetti che affermano tutto il contrario.
Se consideriamo una massa d’aria calda che sale verso l’alto, la colonna d’aria che la sovrasta diventa sempre più corta e quindi esercita sempre meno pressione su di essa. La massa d’aria, quindi, subendo meno pressione, è libera di espandersi ed aumentare il suo volume. Come conseguenza della legge dei gas perfetti, allora, ad un aumento di volume corrisponde un abbassamento della temperatura.
Guardando il fenomeno con altri occhi, espandere il gas significa compiere un lavoro che richiede energia, la quale viene attinta dall’energia interna del gas, processo che causa una diminuzione della temperatura.
Quindi nonostante l’aria calda tenda ad andare verso l’alto, l’effetto finale è che salendo si raffredda, arrivando ad alte quote in montagna a temperature parecchio basse!
Lo sapevi che…
La temperatura di una particella d’aria secca diminuisce di circa 10°C per ogni chilometro di altezza, mentre quella di una particella d’aria satura di vapore acqueo diminuisce di circa 5°C per chilometro.
a cura di Nicola Salvemini