Transizioni di stato e leggi della fusione della materia

Stati della materia

Sulla Terra la materia si presenta in tre forme diverse: stato solido, stato liquido e stato gassoso o aeriforme. Mediante scambi di calore si può ottenere il passaggio da uno stato di aggregazione all’altro.
Per esempio l’acqua fonde passando dallo stato solido allo stato liquido, inoltre vaporizza, passando dallo stato liquido a quello aeriforme. Lo stesso accade anche per le altre sostanze: per esempio, la superficie di Titano (il più grande satellite di Saturno) è a una temperatura di circa -180°C. Così, è probabile che su quel satellite il metano si trovi allo stato liquido (nelle zone più fredde), liquido e di vapore, esattamente come l’acqua sulla Terra. E’ anche possibile che vi siano (o vi siano state) delle piogge di metano.

Naturalmente, sulla Terra, con ben altre condizioni di temperatura, il metano è un gas. I passaggi di stato dipendono soprattutto dalla temperatura, ma anche dalla pressione. Per esempio, in condizioni normali l’acqua bolle a 100°C; però sul Monte Bianco (4810m), dove la pressione atmosferica è circa il 55% di quella normale, l’acqua bolle attorno agli 80°C.

Fusione e leggi sperimentali

Se forniamo calore a un oggetto solido, per esempio metallico, questo dapprima si riscalda. A un certo punto, però, si osserva un cambiamento: l’oggetto inizia a diventare liquido. E’ questo il fenomeno della fusione.

La fusione di un solido segue tre leggi sperimentali:

1) a una data pressione, a ogni sostanza la fusione avviene a una temperatura determinata, detta temperatura di fusione di quella sostanza;

2)durante tutto l’intervallo di tempo in cui avviene la fusione di un corpo, la sua temperatura si mantiene costante;

3)l’energia necessaria per fondere completamente una massa m di una data sostanza, che si trova già alla temperatura di fusione, è direttamente proporzionale a m.

Leggi della fusione dello stagno

Le tre leggi sono ottenute sperimentalmente liquefacendo un blocco di stagno posto su una fiamma costante. Ora vediamo come varia la temperatura.

1) Dapprima la temperatura dello stagno solido aumenta in modo proporzionale agli intervalli di tempo trascorsi;

2)per tutta la durata del processo di fusione, la temperatura dello stagno si mantiene costante a 232°C;

3)quando tutto lo stagno è divenuto liquido, la sua temperatura ricomincia a salire.

Calore latente di fusione

La terza legge della fusione è espressa mediante la forumula

∆E=L_f m

La costante L_f è detta calore latente di fusione e si misura in joule/kilogrammi. E’ numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per fondere completamente 1kg di una data sostanza. Per esempio, per fondere 1kg di ghiaccio, che si trova alla temperatura di 0°C, occorre fornire 334 Kj di energia.

Di solito forniamo al ghiaccio questa energia mediante scambi di calore e in questo caso la formula precedente diventa

Q= L_f m

ma potremmo fornirla anche mediante un lavoro meccanico di spezzettamento.