I cambiamenti di stato

I passaggi tra stati di aggregazione
In natura la materia si trova in tre stati diversi: solido, liquido e gassoso (o aeriforme). Si ha un cambiamento di stato grazie agli scambi di calore; il passaggio di stato dipende anche dalla pressione.
I passaggi possono essere:
fusione (da solido a liquido);
vaporizzazione (da liquido a gassoso);
condensazione (da gassoso a liquido);
solidificazione (da liquido a solido);
sublimazione (da solido a gassoso);
condensazione o brinamento (da gassoso a solido).

La fusione e la solidificazione
••• Se un solido si riscalda, questo a un certo punto raggiunge la temperatura di fusione e diventa liquido. Questo fenomeno fisico segue tre leggi sperimentali della fusione:
Ogni sostanza, a una data pressione, ha una temperatura di fusione determinata;
Mentre avviene la fusione, la temperatura non sale e resta costante. Finita la fusione, ricomincia a salire;

L’energia che serve per fondere un corpo di massa (m) già alla temperatura di fusione è direttamente proporzionale al suo valore di massa (m). Ciò è espresso con la formula:
∆E = Lf • m , dove ∆E è l’energia per fondere (J) e Lf è il calore latente di fusione (J/Kg).
••• Se un liquido si raffredda, a un certo punto raggiunge la temperatura di solidificazione (che è uguale a quella di fusione) per poi solidificarsi. Quando comincia a solidificarsi, la temperatura resta costante. Diventato completamente solido, il corpo riprende a raffreddarsi ancora.
•• Nella fusione l’energia è fornita dall’ambiente (il calore entra nel corpo): ∆E = Lf • m;
Nella solidificazione l’energia è ceduta all’ambiente (il calore esce dal corpo): ∆E = - Lf • m.
••• Il calore latente dal punto di vista microscopico:
Un solido, a livello microscopico, è formato da un reticolato cristallino ordinato. Le particelle oscillano (vibrano) disordinatamente con una energia cinetica media. Se si riscalda il corpo, l’energia cinetica delle particelle aumenta. Se la temperatura aumenta ancora, fino a raggiungere la temperatura di fusione, il reticolato cristallino viene demolito e le particelle si muovono casualmente. Da questo momento l’energia assorbita non fa più aumentare la temperatura, ma solo per spezzare ancora il reticolato. Per questo la temperatura rimane costante.
L’energia (∆E) che serve per fondere il solido è direttamente proporzionale al numero di legami del reticolato e questo numero di legami è a sua volta direttamente proporzionale alla massa del corpo (numero di particelle). Ecco perché l’energia per fondere completamente il solido (già alla temperatura di fusione) è direttamente proporzionale alla massa del corpo (∆E = Lf • m).

La vaporizzazione e la condensazione
•• L’ebollizione ha le stesse caratteristiche della fusione e dipende anche lei da tre leggi:
Ogni sostanza, a una data pressione, ha una temperatura di ebollizione determinata;
Mentre avviene l’ebollizione, la temperatura non sale e resta costante. Finita l’ebollizione, ricomincia a salire;
L’energia che serve per vaporizzare un corpo di massa (m) già alla temperatura di ebollizione è direttamente proporzionale al suo valore di massa (m). Ciò è espresso con la formula:
∆E = Lv • m , dove ∆E è l’energia di vaporizzazione (J); Lv è il calore latente di vaporizzazione (circa 7 volte quello di fusione) (J/Kg) e m è la massa del liquido (Kg).
••• L’evaporazione avviene a tutte le temperature quando una sostanza è liquida. L’evaporazione e l’ebollizione sono due diversi aspetti della vaporizzazione. Nell’evaporazione la temperatura del liquido non resta costante (come succede nell’ebollizione), è per questo che il calore latente di vaporizzazione è uguale all’energia che serve per vaporizzare 1 kg di una sostanza, mantenendo la temperatura di costante.
••• Il raffreddamento per evaporazione:
Le molecole di un liquido sono legate tra loro da forze intermolecolari. Riescono a evaporare solo le molecole che hanno queste proprietà (in contemporanea): (1) sono sulla superficie del liquido; (2) il verso della velocità (vettore) è verso l’esterno; (3) il modulo (quantità) di velocità è abbastanza alto da poter “scappare” dalla coesione intermolecolare. Durante l’evaporazione le velocità media delle molecole rallenta e il liquido (come somma di tutte le molecole) si raffredda (come avviene con la sudorazione).

••• La condensazione è l’inverso della vaporizzazione. Quando il vapore viene in contatto con qualcosa di più freddo, questo si trasforma in liquido. Nella condensazione (come nella solidificazione), l’energia è ceduta all’ambiente secondo la formula: ∆E = - Lf • m.
•• In sintesi: nella vaporizzazione (divisa in ebollizione, a temperatura costante, ed evaporazione, a tutte le temperature), l’energia è fornita dall’ambiente (il calore entra nel corpo): ∆E = Lf • m; nella condensazione, l’energia è ceduta all’ambiente (il calore esce dal corpo): ∆E = - Lf • m.
••• I rigassificatori: il commercio di gas naturale avviene solo grazie ai gasdotti (condutture) che collegano i centri di produzione con le zone di consumo. Per risolvere il problema si costruiscono impianti di liquefazione del gas vicino ai centri di produzione. Qui il gas viene raffreddato fino a -160°C (da aeriforme a liquido) e poi trasportato da navi metaniere fino a porti chiamati “terminal di rigassificazione” dove il gas liquido, fatto passare in tubi immersi nell’aria calda, viene riportato allo stato naturale e poi emesso all’esterno (come combustibile si usa dell’altro gas). 1 m3 di gas liquido diventa 600 m3 di gas aeriforme.

Il vapore saturo e la sua pressione
Se si chiude dell’acqua in un recipiente dal quale viene tolta l’aria con una pompa, la pressione diminuisce. Se la pompa si chiude, l’acqua comincia a evaporare e la pressione aumenta in base alla temperatura. All’inizio la pressione aumenta velocemente. Poi l’evaporazione rallenta sempre di più. Infine l’acqua smette di evaporare e la pressione resta costante (in realtà, l’acqua non smette di evaporare: è solo che le molecole che escono dall’acqua e si disperdono nel vapore acqueo sono le stesse di quelle che, dal vapore acqueo, ritornano nel liquido).

•• Quando l’evaporazione cessa si dice che l’ambiente è saturo di vapore.
•• La pressione di vapore saturo è la pressione del vapore acqueo esercitata sulle pareti del recipiente ed è la massima pressione per un vapore a una data temperatura. In questa situazione il liquido è in equilibrio con il vapore a prescindere dalla pressione dell’aria (perché il contenitore ha una pressione propria). La pressione di vapore saturo aumenta insieme con la temperatura: più la temperatura è alta, più le molecole hanno maggiore energia cinetica e quindi più facilità a evaporare.
••• Pressione del vapore saturo ed ebollizione:
La temperatura di ebollizione è la temperatura per cui la pressione di vapore saturo del liquido è uguale alla pressione atmosferica. Quando un liquido si riscalda, all’interno si formano delle bollicine di vapore con pressione uguale a quella del vapore saturo del liquido. Fino a che la pressione delle bollicine è minore di quella atmosferica, non crescono o restano invisibili. Quando la pressione interna è uguale a quella atmosferica, le bollicine salgono in superficie per la spinta di Archimede: avviene l’ebollizione. Ecco perché in montagna l’acqua bolle prima che al livello del mare, perché la pressione atmosferica è minore; nelle pentole a pressione, invece, la pressione è quasi doppia di quella atmosferica e l’acqua bolle a 120°C, cuocendo più rapidamente i cibi.

La condensazione e la temperatura critica
Per rendere liquido (condensare) un vapore lo si può (1) comprimere a temperatura costante, dal momento che non si può superare la pressione del vapore saturo, oppure (2) raffreddare a pressione costante. Infatti i climatizzatori sono deumidificatori perché raffreddando l’aria a pressione costante causano la condensazione del vapore (aria). E tutti i condizionatori prevedono un sistema di deumidificazione per eliminare la condensa.
••• Gas e vapori:
Non tutti i gas condensano quando aumenta la pressione (quando vengono compressi). A temperatura ambiente l’aria che respiriamo, anche compressa di molto, non si condensa. Questo perché ogni sostanza ha una temperatura critica, oltre la quale non è più possibile condensare comprimendo il gas. Per l’ossigeno la temperatura critica è -119°C. Solo sotto questa può condensare quando è compresso. La temperatura critica ci fa distinguere:
il vapore è aeriforme, sta sotto la temperatura critica e si condensa con la compressione;
il gas è aeriforme, sta sopra la temperatura critica e non condensa con la compressione.
Infatti, l’acqua aeriforme è vapore (d’acqua) sotto i 374°C e gas (d’acqua) sopra i 374°C.
••• Il diagramma di fase: il diagramma di fase riassume le trasformazioni da liquido ad aeriforme e viceversa a temperatura costante (isoterma). Il diagramma mostra le condizioni di volume (x) e di pressione (y) in base alle quali la sostanza è gas (sopra la linea della temperatura critica), vapore (sotto la linea della temperatura critica) o un liquido. La linea della temperatura critica è chiamata isoterma critica.

Il vapore d’acqua nell’atmosfera
Nei fenomeni meteorologici sono fondamentali i cambiamenti di stato (evaporazione dei mari; condensazione del vapore acqueo in nuvole e poi in pioggia; solidificazione dell’acqua in grandine, neve o ghiaccio...). Fino a 10 km di altezza l’aria è formata soprattutto da ossigeno, azoto e vapore acqueo, che permette la vita. La quantità del vapore acqueo varia di molto, ma la pressione non supera quella del vapore saturo alla temperatura dell’aria in quel punto, perché altrimenti si formano le nuvole o la nebbia.
Dal vapore acqueo dipende anche la brina (direttamente da vapore a ghiaccio, quando la temperatura del suolo è minore di 0°C), la pioggia (che si forma nelle nuvole per aggregazione di gocce d’acqua) e la neve (che si forma nelle nuvole attorno a nuclei di congelamento quando la temperatura è minore di 0°C).
••• L’umidità relativa: l’umidità, in un dato luogo e in un dato istante, viene misurata con una grandezza fisica chiamata umidità relativa, il rapporto tra la pressione del vapore acqueo e la pressione del vapore saturo dell’acqua alla stessa temperatura. Lo strumento usato è l’igrometro (spesso a capello).
•• La formula: Hr = Pacqua / Ps , dove Hr è l’umidità relativa; Pacqua è la pressione del vapore acqueo (Pa) e Ps è la pressione del vapore saturo (Pa).
••• La temperatura percepita: l’evaporazione del sudore disperde il calore corporeo.
Un’alta umidità (con pressione del vapore acqueo vicina a quella del vapore saturo) rallenta l’evaporazione del sudore. È più difficile il sistema corporeo di raffreddamento e impossibile quando l’umidità è al 100%. Se non c’è vento, ci sarà la sensazione di caldo.
La presenza di vento con una bassa umidità allontana dalla pelle l’aria più umida sostituendola con aria più secca. L’evaporazione è più veloce e il raffreddamento per sudorazione è molto efficace: si procura la sensazione di fresco.
Queste sensazioni sono alla base della temperatura percepita (sensazione di caldo o freddo), che vede coinvolti la temperatura, l’umidità e la velocità del vento. La temperatura percepita può anche essere diversa di molto rispetto a quella fisicamente misurata.
La sublimazione e la condensazione o brinamento
•• La sublimazione è il passaggio diretto di un materiale dallo stato solido a quello aeriforme (come con lo iodio e la canfora). Molto evidente in sostanze con alta pressione di vapore anche allo stato solido.
•• La condensazione o brinamento è il passaggio diretto di un materiale dallo stato aeriforme a quello solido (come la formazione di brina).
•• Le stampanti a sublimazione funzionano grazie a entrambi i cambiamenti fisici. Il rotolo scorre accanto a fonti di calore così da far sublimare (vaporizzare) il colore. Il “gas colorato” viene assorbito dalla carta. La sovrapposizione di questi “puntini” colorati permette la stampa. Gli elementi della testina possono essere riscaldati a 256 temperature diverse, così da rilasciare 256 sfumature di colore per ognuna delle tinte fondamentali.

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