Stati di aggregazione e passaggi di stato

In questo appunto si introdurranno i concetti di passaggio di stato, curva di riscaldamento e variazioni di energia durante il passaggio di stato, il tutto attraverso esempi pratici e presentando le caratteristiche e proprietà principali.

Introduzione

Tutti i corpi esistenti in natura sono costituiti da materia: è considerata materia tutto ciò che è dotato di massa ed occupa un determinato spazio. Essa si presenta sotto forma di sostanze (elementi e composti), diverse tra loro per composizione, struttura e proprietà. Ciascuna sostanza, a sua volta, può esistere nei tre stati di aggregazione.I tre stati di aggregazione sono: solido, liquido e gassoso. Lo stato di aggregazione in cui si presenta la materia dipende dai parametri fisici temperatura e pressione; variando tali parametri, o anche uno solo di essi, la sostanza può cambiare stato fisico. Per esempio, l'acqua è un liquido poiché generalmente le condizioni ambientali in cui si trova permettono questo stato fisico, ma diventa anche solida o gassosa quando alla pressione di 1 atmosfera la temperatura assume valori, rispettivamente, inferiori a 0°C o superiori a 100°C.

Punto di ebollizione

Si chiama punto di ebollizione la temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido uguaglia la pressione esterna (pressione). Il punto di ebollizione dipende dalla pressione esterna. Ad esempio l’acqua bolle a 100°C ad 1 atm ma a 95°C a 0,83 atm. Il punto di ebollizione normale di un liquido è il punto di ebollizione alla pressione esterna di 1 atmosfera.

Per ulteriori approfondimenti sulla tensione di vapore, vedi qui

Punto di solidificazione e di fusione

Si chiama punto di solidificazione o di congelamento la temperatura alla quale un liquido si trasforma in un solido cristallino. Si chiama punto di fusione la temperatura alla quale un solido cristallino si trasforma in un liquido.
Punto di congelamento e punto di fusione coincidono e corrispondono alle temperatura alla quale solido e liquido sono in equilibrio dinamico fra di loro.
Contrariamente al punto di ebollizione il punto di fusione varia molto poco con la pressione. Sia il punto di fusione che quello di ebollizione sono caratteristici di una data sostanza.

Passaggio di Stato

La fornitura o la sottrazione di calore produce aumento o diminuzione di temperatura, fin quando la sostanza non cambia il suo stato fisico. Quando ciò inizia a verificarsi, insieme allo stato iniziale troviamo anche lo stato di aggregazione in cui si trasformerà di seguito (si ha cioè la coesione dei sue stati); il calore, invece, diventa latente, ossia non si manifesta più attraverso una variazione di temperatura. Ciò vuol dire che la temperatura resta costante fino a trasformazione completa (la temperatura per cui questo avviene -ad una data pressione- è caratteristica della sostanza).

I passaggi di stato sono i seguenti:

• fusione (solido - liquido);
• solidificazione (liquido - solido);
• sublimazione (solido - vapore);
• brinamento (vapore - solido);
• evaporazione(liquido - vapore);
• condensazione (vapore - liquido).

Calore nelle transizioni di fase

Una qualsiasi transizione di fase implica liberazione o assorbimento di energia sotto forma di calore. In particolare è richiesto calore per:

• far fondere un solido (fusione)
• far evaporare un liquido (evaporazione)
• far evaporare un solido (sublimazione)

Ovvero questi processi fisici sono endotermici

.
Al contrario i processi inversi sono esotermici

.
Producono la stessa quantità di calore.

Curva di riscaldamento di una sostanza pura

A titolo di esempio prendiamo in considerazione l’acqua che ha punto di fusione di 0°C e punto di ebollizione di 100°C (il punto di fusione coincide con il punto di solidificazione e il punto di ebollizione coincide con il punto di condensazione). Partiamo, come esempio, da una temperatura di -10°C, temperatura alla quale l’acqua si trova allo stato solido. Utilizzando un termometro si misura la temperatura della sostanza e la si riporta nel grafico.
Inizialmente la temperatura inizia a salire.
La pendenza della curva (A-B) dipende dalla potenza di riscaldamento.
Giunti a 0°(cioè al punto di fusione), nonostante il riscaldamento sia sempre attivo, la temperatura si ferma, resta costante. Questo tratto di curva (B-C) si definisce sosta termica. Sta avvenendo un passaggio di stato. E l’energia termica che sto fornendo dove va a finire? L’energia termica è utilizzata dalla sostanza per rompere i vincoli che tenevano unite le Particelle allo stato solido, in pratica è immagazzinata dalle particelle che formano la sostanza, le quali iniziano a scivolare le une sulle altre.
La sosta termica dura fino a quando tutto il solido non è diventato liquido , quindi la durata, a riscaldamento costante, dipende esclusivamente dalla quantità della sostanza , cioè dalla massa → una massa doppia impiegherà il doppio del tempo ad eseguire completamente il passaggio di stato.
Quando tutto il ghiaccio è diventato liquido, la temperatura della sostanza inizia di nuovo a salire con la stessa pendenza del primo tratto (C-D).
La temperatura aumenta fino al secondo passaggio di stato, cioè da liquido a gassoso (100°C). Di nuovo si ha una sosta termica in cui l’energia è utilizzata per rimuovere ogni vincolo tra le particelle e renderle indipendenti.
le une dalle altre (stato gassoso). Per effettuare questo passaggio serve molta più energia rispetto al precedente. Quindi la sosta termica di ebollizione è sempre più lunga della sosta termica di fusione, appunto perché serve più energia per trasformare una sostanza in gas rispetto all’energia che serve per farla fondere.

Le variazioni di energia nei passaggi di stato

Qualsiasi passaggio di stato è accompagnato da una variazione d’energia del sistema.
In un solido cristallino , per esempio, le molecole o gli ioni si trovano in posizioni abbastanza fisse e sono ben impaccati per minimizzare l’energia del sistema.

Quando la temperatura del solido aumenta, le unità del solido vibrano intorno alla loro posizione di equilibrio con energia cinetica crescente. Quando il solido fonde le unità che lo costituiscono sono libere di muoversi, la separazione tra loro aumenta. Questo processo è detto fusione. L’aumento di libertà di moto delle molecole o degli ioni ha un prezzo, misurato dal calore di fusione, o entalpia di fusione,

.

Man mano che la temperatura di un liquido aumenta, le molecole del liquido si muovono con energia crescente. La concentrazione delle molecole in fase gas sulla superficie di un liquido aumenta con la temperatura. Queste molecole esercitano una pressione sul liquido detta pressione di vapore o tensione di vapore. La pressione di vapore aumenta all’aumentare della temperatura fino ad eguagliare la pressione esterna (atmosferica) esercitata sul liquido. A questo punto il liquido bolle le molecole passano in fase gassosa dove sono molto distanti le une dalle altre. L’energia richiesta per determinare questa transizione è detta calore di vaporizzazione, o entalpia di vaporizzazione, indicata con

.

Le molecole di un solido possono essere trasformate direttamente nello stato gassoso. La variazione d’entalpia richiesta per questa transizione è detta calore di sublimazione, indicato con

. Il calore di sublimazione è dato dalla somma

e

.

Per approfondimenti sull'entalpia, vedi qui
Per approfondimenti sull'entropia, vedi qui