Condensazione e punto critico

In questo appunto di Fisica studieremo il fenomeno della condensazione affiancato al concetto di temperatura critica di una sostanza con una breve introduzione sui cambiamenti di stato della materia.

Stati di aggregazione della materia

Sappiamo dall’esperienza che la materia in natura si può trovare in tre diversi stati di aggregazione:

• solido
• liquido
• gassoso

Si può passare da uno stato di aggregazione all’altro facendo variare parametri come temperatura e pressione, variazioni che provocano il mutamento dell’assetto molecolare delle sostanza che le subiscono.
Tali processi prendono il nome di cambianti di stato e si distinguono in:
fusione

• solidificazione
• sublimazione
• evaporazione
• condensazione

La fusione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido, mentre la solidificazione è il passaggio inverso. La sublimazione è il passaggio dallo stato solido allo stato gassoso. L’evaporazione è il cambiamento di stato in cui un liquido assume la forma gassosa. La condensazione è il procedimento in cui una sostanza allo stato gassoso diventa liquido, ossia il procedimento inverso dell’evaporazione.
Sappiamo che possono coesistere due stati di aggregazione diversi di una sostanza (per esempio l’acqua allo stato liquido ed allo stato solido) solo in determinate condizioni fisiche (temperatura e pressione) che dipendono dalla natura della sostanza stessa.
Fusione e solidificazione sono passaggi di stato caratterizzati da una grandezza fondamentale, il calore latente di fusione (o solidificazione), variabile a seconda della sostanza e che quantifica la quantità di calore necessaria alla massa unitaria di solido (o liquido), portato alla temperatura di fusione per avere il totale passaggio allo stato liquido (solido), ovviamente senza variarne la temperatura.
La sublimazione è un passaggio di stato molto particolare, che richiede condizioni fisiche insolite, non oggetto di studio di questo appunto.

Evaporazione

L’evaporazione consiste nel passaggio di stato spontaneo dallo stato liquido a quello gassoso.
Come per la fusione (solidificazione) si introduce una grandezza, chiamata calore di evaporazione, la quale quantifica la quantità di calore necessaria per far evaporare la massa di 1Kg di una particolare sostanza allo stato liquido, fissata una data temperatura che deve rimanere costante e tenuto a pressione normale.
La coesistenza fra le due fasi ci viene garantita dalla tensione del vapore saturo, ossia dalla pressione esercitata dal volume sovrastante di vapore sulla superficie liquida che essendo saturo non può contenere altre particelle in fase gassosa (a livello molecolare significa che le molecole della sostanza mantengono i legami dello stato liquido). Si tratta di uno stato di equilibrio dinamico: tante molecole di liquido si distaccano, tante rientrano a far parte dello stato liquido.

Condensazione

La condensazione è il passaggio inverso dell’evaporazione e consiste nel passaggio dallo stato gassoso a quello liquido di un gas.
Analizziamo più in dettaglio le cause e le condizioni fisiche che fanno sì che tale fenomeno avvenga.
Abbiamo definito il calore di evaporazione per il procedimento inverso alla condensazione, questo ci suggerisce che per far condensare un gas gli si deve sottrarre calore, poiché sottraendo calore abbattiamo l’energia cinetica del gas, quindi il moto delle sue particelle diminuisce e si favorisce la formazione di legami molecolari tipici di sostanze allo stato liquido.
Al fine di condensare una sostanza che si trova allo stato gassoso si possono seguire due metodologie diverse:
lo si può comprimere mantenendo costante la temperatura;
lo si può raffreddare mantenendo costante la pressione.
Queste due metodologie ci permettono di far cedere calore al gas e quindi di cambiare stato.

Condensazione a temperatura costante

Si abbia un gas perfetto e supponiamo di avere condizioni termodinamiche tali che le pressioni in cui lo analizzeremo non siano troppo alte e le temperature non siano troppo basse. In tali ipotesi il suo comportamento lo possiamo approssimare ad un gas naturale o reale.
Tale gas è contenuto in un cilindro munito di coperchio con stantuffo mobile, così da poter far variare la pressione agente sul gas.
Il valore iniziale del volume è .
La temperatura viene mantenuta costante ad un valore fissato : trasformazione isoterma.
Iniziamo a comprimere il gas tramite lo stantuffo agente sul coperchio.
Nel diagramma P-V (diagramma pressione-volume) la curva che rappresenta la trasformazione isoterma è una iperbole equilatera: man mano che ci spostiamo sulla curva isoterma comprimendo il gas (abbassando lo stantuffo) si nota che il volume da diminuisce e la pressione aumenta, fino ad un certo punto A, in cui si inizia a vedere la comparsa di liquido all’interno del cilindro.
Continuando a comprimere il gas la pressione rimane costante fino a quando, raggiunto un punto B, tutto il gas si è trasformato in liquido: dallo stato A allo stato B si ha la condensazione del vapore.
Da questo punto in poi, per vere piccole compressioni si dovranno avere pressioni molto alte.
Nel tratto AB della trasformazione si ha la coesistenza di stato liquido e stato gassoso ed il valore costante assunto dalla pressione in questo tratto rappresenta la tensione del vapore saturo.
Se effettuiamo trasformazioni isoterme a temperature via via crescenti, si nota che l’intervallo AB, in cui la pressione rimane costante, si riduce sempre più con l’aumentare della temperatura fino al raggiungimento di un valore in cui AB è un punto, chiamato punto critico C, cui corrisponde la temperatura critica , in cui il processo di condensazione avviene istantaneamente.
A tale temperatura corrisponde l’isoterma critica.
Ogni sostanza è caratterizzata da un punto critico cui corrispondono diversi valori critici dei parametri di stato (, , ).
Ad esempio per l’ossigeno la temperatura critica è di -119 °C; soltanto al di sotto di essa l’ossigeno condensa quando è compresso. La temperatura critica dell’acqua è di 374 °C; ecco perché alle nostre temperature il vapore d’acqua diventa liquido quando è compresso.
Ovviamente per temperature superiori a quella critica, ogni sostanza si presenta allo stato gassoso e qualsiasi compressione, seppur a temperatura costante, non fa condensare il gas.
La curva che contiene gli estremi e (con i = 1,2,3…n per ogni corrispondente alla i-esima isoterma) dei segmenti corrispondenti alle diverse isoterme inferiori all’isoterma critica (ossia per ) si chiama curva di saturazione e sottostante a questa curva vi sono gli stati di vapore saturo.
Da un punto di vista di analisi del calore si ha che durante la compressione isoterma il sistema cede del calore all’ambiente, quindi varia l’energia interna del sistema, ossia diminuisce l’energia cinetica degli atomi del gas che assumono legami più forti, quindi fanno passare la sostanza allo stato liquido.

Condensazione a pressione costante

Molto più intuitivo è il procedimento di condensazione di una sostanza aeriforme, mantenendo la pressione costante e facendo variare la temperatura.
Consideriamo, ad esempio, l’aria che contiene un certo tasso di umidità, presente in una stanza munita di finestre a vetri. Se facciamo aumentare la temperatura in quella stanza (tramite l’accensione del riscaldamento ad esempio) notiamo che sopra i vetri delle finestre si formano delle goccioline di acqua (la condensa). Questo perché il gas (l’aria), entrando in contatto con una superficie più fredda, al fine del raggiungimento dell’equilibrio termodinamico, tende a cedere calore a tale superficie. Nel cedere calore varia la sua energia interna e l’energia di moto delle particelle diminuisce, quindi si possono creare legami molecolari più solidi che corrispondono allo stato liquido.

Applicazioni pratiche

I comuni condizionatori sono dispositivi (macchine termiche) che funzionano anche come deumidificatori poiché l’abbassamento della temperatura dell’aria comporta a sua volta la condensazione di parte del vapore d’acqua sempre presente.
Tutti i condizionatori devono quindi prevedere un sistema per eliminare l’acqua di condensa che si forma durante il loro funzionamento.

Per ulteriori approfondimenti si consiglia il seguente link