Calore latente: descrizione e regole

In questo appunto di Fisica si tratta una grandezza chiamata calore latente che serve per quantificare il calore necessario che deve essere fornito o sottratto ad una data sostanza affinché questa possa cambiare il suo stato di aggregazione.

Stati di aggregazione della materia

La materia in natura può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione:

• stato solido
• stato liquido
• stato gassoso.

che caratterizzano le molecole di quella sostanza in particolare ed ovviamente dalle condizioni fisiche che caratterizzano l’ambiente in cui si trova tale sostanza.
Se facciamo variare la temperatura o la pressione, la materia può passare da uno stato di aggregazione ad un altro, attraverso un processo durante il quale le molecole che costituiscono la sostanza analizzata modificano o la loro mutua distanza o il loro moto o entrambe contemporaneamente.
Variando temperatura e pressione facciamo in modo che tali condizioni vengano modificate, assorbendo calore oppure cedendolo da parte della sostanza ed in questo modo cambia lo stato di aggregazione della materia stessa.
Tale quantità di calore che dovrà essere scambiata affinché si abbia un passaggio di stato dipende dal tipo di sostanza che si sta analizzando.

Cambiamento di stato

Il passaggio da uno stato all’altro da parte di una data sostanza si chiama cambiamento di stato.
I cambiamenti di stato che può subire una sostanza sono:

• fusione (dal solido al liquido) e solidificazione (dal liquido al solido);
• evaporazione (dal liquido al gas) e condensazione (dal gas al liquido);
• sublimazione (dal solido al gas) e brinamento (dal gas al solido).

Durante un qualsiasi cambiamento di stato si fornisce o si sottrae calore alla sostanza; durante il passaggio di stato la temperatura della sostanza non varia.
Per esempio, mentre il ghiaccio si fonde, la temperatura rimane fissa sul valore 0° C oppure mentre l’acqua bolle la temperatura rimane sui 100°C.

Calore latente

La quantità di calore che deve essere fornita o sottratta affinché una data sostanza passi da uno stato di aggregazione ad un altro stato dipende dalla natura chimica della sostanza e dal particolare passaggio di stato che si vuole eseguire.
Chiameremo calore latente, e lo indicheremo con la lettera L, la quantità di calore necessaria affinché 1Kg di una data sostanza cambi il suo stato di aggregazione (quantità di calore che può essere fornita o sottratta).
L’unità di misura nel Sistema Internazionale è J/Kg.

Fusione e solidificazione

Ad una determinata pressione ogni sostanza cristallina presenta una caratteristica temperatura di fusione (che è la stessa di solidificazione); tale temperatura varia con la pressione.

Per le sostanze che fondendo aumentano di volume, ad un aumento di pressione corrisponde un aumento della temperatura di fusione. Al contrario per le sostanze che fondendo diminuiscono il volume, un aumento di pressione determina un abbassamento della temperatura di fusione.
Il corpo solido viene scaldato fornendogli calore e conseguentemente la sua temperatura aumenta, finché raggiunge la temperatura di fusione

; quando

il solido comincia a fondere, ossia inizia a formarsi la fase liquida.
A questo punto della trasformazione, se al corpo viene fornito ulteriore calore, la fusione prosegue a temperatura costante Tf; tutto il calore che il corpo assorbe in questa fase viene utilizzato per allontanare gli atomi o le molecole, ossia per modificare la configurazione dei legami chimici caratteristici di quella sostanza: il calore fornito dalla sorgente viene utilizzato come lavoro per indebolire le forze intermolecolari al fine di sciogliere la struttura della materia allo stato solido.
In un secondo momento, quando il corpo è completamente fuso (tutta la massa solida è passata allo stato liquido), un ulteriore assorbimento di calore da parte del corpo provoca un ulteriore aumento di temperatura, che può tornare a salire.
Sperimentalmente si verifica che la quantità di calore necessaria per fondere una massa m di sostanza, che si trova alla temperatura di fusione, dipende dal tipo di sostanza ed è direttamente proporzionale alla massa stessa e prende il nome di calore latente di fusione: quantità di calore fornito a pressione costante alla massa unitaria di una data sostanza che si trova allo stato solido, portata alla temperatura di fusione, per ottenere senza alterare la temperatura, il passaggio completo allo stato liquido.
La solidificazione è il passaggio inverso della fusione, ossia la materia passa dallo stato liquido a quello solido; tale passaggio avviene alla stessa temperatura della fusione (la temperatura di fusione è la stessa di quella di liquefafazione). Per esempio, il ghiaccio fonde a 0°C e l’acqua solidifica a 0°C.
Durante la solidificazione, un liquido cede calore all’ambiente circostante.
Il calore latente di solidificazione rappresenta il calore che la massa unitaria di liquido cede all’ambiente circostante durante il cambiamento di stato.
Il calore latente di solidificazione è numericamente uguale al calore latente di fusione.
Per fondere 1 kg di ghiaccio a 0°C sono necessari 334 000 J; se 1 kg di acqua a 0°C solidifica e diventa ghiaccio, fornisce 334 000 J di calore.

Evaporazione e condensazione

e avviene mediante assorbimento di calore da parte del liquido che cambia stato.
Molti liquidi, compresa l’acqua, evaporano anche a temperatura ambiente; per esempio, i panni stesi dopo un po’ si asciugano.
L’evaporazione avviene sulla superficie del liquido, mentre quando l’acqua bolle, il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore interessa tutta la massa del liquido (evaporazione rapida con la formazione di bolle di vapore all’interno del liquido).
Il calore latente di evaporazione è la quantità di calore assorbita da una massa unitaria di liquido, che si trova già alla temperatura di evaporazione, per passare completamente allo stato gassoso.
Il calore necessario per far evaporare un massa m di liquido, che si trova già alla temperatura di ebollizione, è direttamente proporzionale alla massa m:
Il passaggio inverso dell’evaporazione è la condensazione; essa avviene alla stessa temperatura dell’ebollizione, con cessione di calore all’ambiente circostante
Il vapore acqueo condensa a 100°C e per ogni kilogrammo che condensa vengono ceduti 2,25 X 10⁶ J di calore.

Calore scambiato durante un passaggio di stato

La quantità di calore Q che un certo corpo deve assorbire o cedere affinché si abbia un passaggio di stato di una massa m di una data sostanza si esprime come:
Q = m L
dove
L è il calore latente per quella determinata sostanza e varia in funzione del passaggio di stato

calore latente di fuisione

calore latente di vaporizzazione

calore latente di sublimazione (passaggio di stato dallo stato solido a quello gassoso)
In particolare avremo che:
per la fusione Q > 0 (calore assorbito da corpo)
per la solidificazione Q per l’evaporazione Q > 0 (calore assorbito da corpo)
per la condensazione Q

Per ulteriori approfondimenti sul calcolo latente vedi anche qua