Cambiamenti di stato
La materia può trovarsi allo stato solido, liquido o aeriforme, ma può anche passare da uno stato a un altro in seguito a un cambiamento di temperatura. Quando una sostanza modifica il suo stato di aggregazione si dice che è avvenuto un cambiamento di stato.
Il comportamento delle particelle al variare della temperatura ci spiega meglio il passaggio di stato da un’aggregazione della materia all’altro.
La fusione è il passaggio di stato solido allo stato liquido; la temperatura alla quale avviene è detta punto di fusione. Ogni sostanza ha una temperatura di fusione particolare. (temperatura e` arrivata a un livello per cui le vibrazioni hanno una velocità da rompere i legami. Come un molla che supera il limite di elasticità per poi rompersi del tutto. La distanza tra le molecole influisce nella forza del legame.In un certo range di distanza si è legati, quando arriva energia inizia l’agitazione, l’allontanamento e il legame si rompe.)
La solidificazione è il passaggio di stato liquido allo stato solido. Anche la solidificazione avviene per ogni sostanza a una temperatura particolare, che coincide con quella di fusione.
La vaporizzazione è il passaggio di stato liquido a quello aeriforme. (gli strati superficiali sentono legami minori con le molecole sottostanti e equidi vaporizzano).
Se avviene lentamente, solo in superficie e non dipende da una temperatura precisa, si parla di evaporazione (statisticamente avviene che le molecole in superficie hanno più energia vibrano di più ed evaporano). Tutti i liquidi evaporano, anche se in tempi diversi: alcuni evaporano rapidamente come l’alcol, la benzina e l’etere, altri evaporano lentamente, come gli oli e il mercurio.
Se la vaporizzazione avviene in modo tumultuoso e rapido in ogni punto del liquido, il fenomeno viene detto ebollizione (distanza tra tutte molecole di tutto il fluido) e la temperatura precisa a cui avviene il cambiamento di stato è detta punto di ebollizione. Ogni sostanza ha una temperatura di ebollizione particolare.
Il passaggio di stato inverso della vaporizzazione, cioè il passaggio di stato dallo quello aeriforme a quello liquido, è chiamato in due diversi modi: condensazione se l’aeriforme è un vapore, liquefazione se l’aeriforme è un gas.
Esistono poi due particolari passaggi di stato: dallo stato solido a quello aeriforme (sublimazione) e viceversa (brinamento).
La sublimazione avviene quando le forze che tengono unite le particelle allo stato solido sono così deboli che basta un piccolo aumento di temperatura per farle disperdere sotto forma di gas saltando così lo stato liquido: e’ il caso delle palline di canfora o di naftalina negli armadi.
Un esempio di brinamento è dato dalla formazione della brina. In inverno, con la temperatura che scende sotto zero, il vapore acqueo (stato aeriforme) presente nell’aria passa direttamente allo stato solido, formando sottili aghi di ghiaccio. [1]
Sopraffusione
La sopraffusione è un fenomeno fisico che appare in seguito ad un processo di raffreddamento di un liquido al di sotto della sua temperatura di solidificazione, senza che avvenga effettivamente la solidificazione stessa, rimanendo cioè allo stato liquido.
Questo fenomeno si osserva principalmente nei polimeri, materiali formati da macromolecole impedite nella cristallizzazione da fenomeni sterici (ossia dipendenti dalla disposizione spaziale degli atomi che costituiscono le loro molecole), in alcuni materiali composti da piccole molecole, nei liquidi puri e raffreddati in uno stato di perfetta quiete.
L’acqua può essere soggetta a sopraffusione: con acqua sopraffusa (in inglese supercooled water) si intende il fenomeno per il quale l’acqua rimane liquida a temperature inferiori ai 0 °C. In questo caso il fenomeno si verifica a causa delle piccole dimensioni delle gocce d’acqua: una goccia che sia molto piccola ha la proprietà di avere una tensione superficiale tale da non farla ghiacciare.
Altre condizioni da rispettare affinché il fenomeno avvenga sono la purezza dell’acqua, che deve essere priva di sali, e che raffreddamento avvenga in uno stato di quiete. L’acqua sopraffusa si trova in una condizione estremamente instabile: le gocce d’acqua sopraffuse disperse nell’aria hanno la proprietà di solidificare immediatamente a contatto con altri oggetti o quando sono soggette a vibrazioni. [2]
Punto triplo
Il punto triplo è un particolare stato termodinamico determinato dai valori di temperatura e pressione in cui coesistono, in condizioni di equilibrio, tre fasi di aggregazione di una sostanza: nel caso più comune, quelle solida, liquida e aeriforme.
Più esplicitamente il punto triplo è individuato da una coppia di valori di temperatura e pressione (T,P) in cui gli stati solido, liquido e gassoso di una sostanza coesistono.
È bene sapere e ricordare che il punto triplo di una sostanza è unico, cioè che non esiste nessun’altra possibile combinazione di temperatura e pressione tale per cui le tre fasi possano coesistere.
Il punto triplo viene sempre indicato nel diagramma di stato di una sostanza, ed è il punto di raccordo tra la curva di sublimazione, la curva di saturazione e la curva di fusione.
Un diagramma di fase è un diagramma cartesiano in cui vengono descritte le fasi di una sostanza al variare della temperatura (riportata sull’asse delle ascisse) e della pressione (riportata sull’asse delle ordinate).
Per una sostanza considerata vengono rappresentante delle curve che indicano i cambiamenti di stato:
La curva di sublimazione evidenzia le condizioni di temperatura e pressione (T,P) in cui la sostanza coesiste allo stato solido e allo stato gassoso.
La curva di saturazione è il tratto formato dai punti (T,P) in cui la sostanza coesiste agli stati liquido e gassoso.
La curva di fusione è il tratto formato dai punti (T,P) in cui la sostanza coesiste agli stati solido e liquido.
Quale che sia la sostanza, le curve del relativo diagramma di fase si incontrano in un unico punto, in cui coesistono tutti e tre gli stati: il punto triplo della sostanza. [3]
Calore latente
Il calore latente (simbolo $L$, o $\lambda$) è una grandezza caratteristica di ogni sostanza e di ogni cambiamento di fase che ci consente di descrivere in modo più completo gli scambi di calore e le variazioni di temperatura cui sono soggetti i corpi.
È intesa come la quantità di energia scambiata (sotto forma di calore) durante lo svolgimento di una transizione di fase (o “passaggio di stato”). È detto latente in quanto lo scambio di calore non è rivelato da nessuna variazione di temperatura. Si verifica in condizioni isotermiche cioè a temperatura costante.
Esprime la quantità di calore $Q$ necessaria affinché una massa di 1 kg, di una specifica sostanza, effettui un determinato passaggio di stato, o equivalentemente il passaggio di stato inverso.
Ad esempio, il “calore latente di fusione” è l’energia massima corrispondente al passaggio di stato di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato solido a quello liquido.
Per definizione il $Q$, calore dato o ceduto, è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura:
\begin{equation*}Q=mc\Delta T\end{equation*}
– $m$ è la massa del corpo
– $c$ il suo calore specifico (che dipende dalla sostanza)
Se forniamo calore al corpo allora la sua temperatura aumenta; se al contrario sottraiamo calore, la sua temperatura diminuisce.
Esistono però alcuni fenomeni in cui al passaggio di calore non corrisponde alcuna variazione di temperatura, e quindi la legge precedente non è più applicabile. Ci riferiamo in particolare al passaggio di stato (o cambiamenti di fase), in cui una certa sostanza passa dallo stato solido a quello liquido, oppure da liquido a gassoso, o ancora da solido a gassoso, e viceversa.
L’esperienza diretta e l’analisi empirica dimostrano che, durante un passaggio di stato, le sostanze che ricevono o cedono calore non presentano alcuna variazione di temperatura.
È per questo motivo che la legge del calore scritta in precedenza non è più applicabile; per descrivere correttamente i cambiamenti di fase è necessario ricorrere alla formula del calore latente.
\begin{equation*}Q=mL\end{equation*}
Il calore di fusione $Q$ e la massa $m$ sono direttamente proporzionali: il coefficiente di proporzionalità prende il nome di calore latente di fusione e dipende dalla sostanza che prendiamo in esame.
È abbastanza intuitivo che il calore che serve per far fondere una massa $m$ di ghiaccio o di una qualunque sostanza allo stato solido risulta tanto maggiore quanto maggiore è la massa $m$ di sostanza da fondere.
Per ricavare l’unità del calore latente è sufficiente considerare la formula inversa:
\begin{equation*}L=\frac{Q}{m}\end{equation*}
da cui si deduce che il calore latente $L$ si misura in joule su chilogrammi J/Kg. E’ definito come il rapporto tra la quantità di calore scambiata e la massa del corpo. Talvolta può capitare di leggere i valori del calore latente espressi nella variante Kcal/kg.
Il calore latente dipende anche dal cambiamento di fase che si considera e, per una data sostanza e a parità di temperatura e pressione, assume valori numerici opposti per ogni passaggio di stato e per il suo inverso (a seconda che la sostanza assorba o ceda calore).
I cambiamenti di stato avvengono a temperature ben precise (che rimangono costanti per tutta la durata del processo) e sono caratteristiche di ogni sostanza.
Nonostante la formula resti sempre la stessa, è necessario distinguere tra:
– calore latente di fusione: il calore viene utilizzato per vincere le forze di coesione che mantengono le molecole unite nel solido (non variandone la temperatura).
– calore latente di vaporizzazione: il calore viene utilizzato per indebolire le forze di coesione tra le particelle del liquido, permettendo loro di allontanarsi fino a passare allo stato gassoso (non variandone la temperatura).
– calore latente di sublimazione.
Per ogni sostanza avremo quindi tre specifici valori del calore latente, uno per ognuno dei passaggi di stato considerati.
In accordo con la precedente osservazione, il calore latente per un passaggio di stato vale sia in un senso che per l’altro, ad esempio il calore latente di fusione vale sia per la fusione che per la solidificazione, allo stesso modo il calore latente di vaporizzazione viene preso in
considerazione sia per l’evaporazione che per la condensazione. [4]
Pressione e calore latente
Se cambiamo la pressione del sistema, i valori delle grandezze fisiche che caratterizzano il cambiamento di stato (calore latente) cambiano.
Ad esempio, se aumentiamo la pressione sul ghiaccio possiamo abbassare la temperatura di fusione al di sotto degli 0°C. Ci si può rendere conto di ciò mantenendo a qualche grado sotto lo zero un blocco di ghiaccio. Appoggiando sopra tale blocco un filo dotato alle sue estremità di due pesi, abbiamo che la pressione esercitata dal filo sul ghiaccio abbassa la temperatura di fusione e il ghiaccio sotto il filo comincia a fondere. Il filo riesce a penetrare nel blocco di ghiaccio mentre al di sopra del filo la pressione torna ad essere quella atmosferica e si ricrea il blocco di ghiaccio visto che siamo a una temperatura inferiore a 0°C. In questo modo il filo riesce ad attraversare completamente il blocco di ghiaccio.
