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Cambiamenti di stato

Appunti sui cambiamenti di stato: fusione, evaporazione ed ebollizione

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I cambiamenti di stato: cosa sono?

I cambiamenti di stato sono dovuti ad una variazione di temperatura. Il passaggio dallo stato solido a quello liquido si chiama fusione. Dallo stato gassoso a quello liquido si verifica una condensazione.

La fusione
La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido e avviene, a pressione costante, per acquisizione da parte del sistema di una certa quantità di calore con il conseguente aumento di temperatura in base alla 1° legge della calorimetria, mantenendo però la struttura solida fino ad una precisa temperatura caratteristica di ogni sostanza chiamata temperatura di fusione. Continuando a fornire calore si nota come il sistema mantenga costante la propria temperatura uguale alla temperatura di fusione ma con il tempo cominciano a formarsi le prime gocce di liquido. Durante questa fase si produce una coesistenza tra solido e liquido per cui la 1° legge della calorimetria perde la sua validità. Il calore fornito durante la coesistenza delle due fasi serve a disgregare i legami che tengono uniti gli atomi del solido e farlo passare allo stato liquido. In questa fase del processo la 1° legge della calorimetria viene sostituita dalla 2° legge che dice che la quantità di calore fornita nel cambiamento di fase è uguale al prodotto della massa della sostanza per un coefficiente chiamato calore latente di fusione (
[math]Q=m \times l[/math]
) che rappresenta la quantità di calore necessaria per fondere 1g di sostanza. Anche il calore latente di fusione è un parametro dipendente dal tipo di sostanza in quanto è legato all'entità delle forze che tengono uniti gli atomi e le molecole del solido. La pressione esterna ha un effetto importante nel processo di fusione. Quasi tutte le sostanze aumentano la temperatura di fusione all'aumentare della pressione esterna(per esempio se si comprime con una morsa un cubo di ferro e si somministra calore il ferro fonderà ad una temperatura superiore alla propria temperatura di fusione). E' logico che ciò avvenga in quanto la compressione rinforza i legami tra le molecole per cui è necessario fornire più calore per ottenere la fusione. Un numero minimo di sostanze, tra cui l'acqua, assume un comportamento anomalo, cioè all'aumentare della pressione esterna in essa diminuisce la temperatura di fusione. Per tale motivo le strade in inverno si sghiacciano se passano delle vetture ed è quindi possibile fare passare un filo metallico senza distruggere la sruttura. Questo processo avviene in natura nel fenomeno di slittamento dei ghiacciai. E' possibile diminuire la temperatura di fusione dell'acqua aggiungendo una sostanza salina. Questo sistema avrà una temperatura di fusione più bassa. Questo fenomeno si chiama abbassamento crioscopico del punto di fusione. La solidificazione è il processo inverso della fusione e determina il passaggio dallo stato liquido allo stato solido; avviene con sottrazione di calore e con le stesse modalità (ovviamente all'inverso) della fusione.
L'evaporazione
L'evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme e avviene a qualunque temperatura nell'intervallo in cui il sistema è liquido e interessa solo lo strato superficiale del liquido. L'ebollizione invece avviene ad una ben precisa temperatura caratteristica di ogni sostanza e interessa tutto il volume del liquido. Fornendo calore ad un liquido le molecole acquisiscono energia cinetica; mentre però le molecole interne sono ostacolate nel loro movimento da tutte le altre, le molecole superficiali che anno acquisito una sufficiente energia per rompere i legami con le altre molecole hanno la possibilità di fuoriuscire dal liquido passando cosi allo stato aeriforme. Il volume del liquido comincia a diminuire e se il tempo è sufficientemente lungo tutto il liquido evapora. Il processo è tanto più rapido quanto più alta è la temperatura e quanto più grande la superficie del liquido a parità di volume. Ogni sostanza ha una sua velocità di evaporazione, dipendendo essa dall'entità delle forze molecolari per cui le sostanze che evaporano velocemente si dicono "molto volatili", mentre quelle che evaporano lentamente si dicono "poco volatili". Poichè l'evaporazione è un processo che avviene con aquisizione di calore da parte delle molecole e poichè le molecole che fuoriescono sono quelle più calde il liquido evaporando si raffredda. Se il nostro corpo acquisisce calore avviene il processo di sudorazione e si forma una cappa di vapore intorno alla nostra pelle che porta ad una sudorazione di caldo. Se mediante un ventaglio spostiamo questa cappa di vapore noi sentiamo una sensazione di fresco in quanto vengono eliminate le molecole più energetiche e più calde provocando una diminuzione di temperatura. Questo processo avviene a cielo aperto, mentre diversa è l'evaporazione che avviene a cielo chiuso, ad esempio in una pentola piena d'acqua col coperchio chiuso. In questo caso il processo di evaporazione avviene nello stesso modo ma le molecole che sono fuoriuscite dal liquido non possono allontanarsi e urtando contro il coperchio perdono energia e ricadono ne liquido. Dopo poco tempo si stabilisce un equilibrio dinamico tra le molecole che fuoriescono dal liquido e quelle che rientrano per cui il numero delle molecole che restano allo stato di vapore si mantiene costante nel tempo esercitando una pressione sul liquido detta pressione di vapore saturo; infatti in questa situazione il vapore si dice saturo in quanto se aumentiamo il numero di molecole che va allo stato di vapore tanto più esse ritornano nel liquido, per cui la pressione di vapore saturo è la massima pressione che il vapore può avere ad una determinata temperatura.

L'ebollizione
Mentre l'evaporazione è un processo che avviene a qualunque temperatura interessando solo la superficie del liquido, l'ebollizione è invece un processo che avviene ad una temperatura fissa chiamata temperatura di ebollizione e interessa tutto il complesso del liquido. Nella zona di un liquido a contatto con la fonte di calore si formano, a causa della presenza di aria, minuscole bollicine piene di vapore acqueo, al cui interno è presente una certa pressione. All'aumentare della temperatura la pressione all'interno delle bolle aumenta per cui le bolle aumentano di volume e raggiungono una situazione di saturazione. Aumentando ancora le temperatura la pressione di vapore saturo aumenta e le bolle cominciano a dilatarsi. A quella temperatura per la quale la pressione di vapore saturo all'interno delle bollicine eguaglia la somma della pressione idrostatica e la pressione esterna, le bolle cominciano a risalire verso la superficie secondo la legge di Archimede e arrivateci scoppiano liberando il vapore acqueo presente. Ad altitudini elevate la pressione esterna è più bassa per cui l'uguaglianza avviene a temperatura più bassa e l'acqua bolle prima, mentre in una pentola a pressione l'acqua bolle a temperature più elevate in quanto c'è una maggiore pressione esterna.
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