I Cambiamenti di stato La materia possiede la capacità di poter traformare il suo stato fisico se sottoposta a variazioni di temperatura o di pressione o di entrambe queste grandezze. Classe 2C Luca Brunetti,Claudio Salomone,Flavio Gezzi

Tutta la materia si può presentare in tre diversi stati di aggregazione: stato solido, stato liquido, stato aeriforme o gassoso. Ogni passaggio da uno stato all’altro ha un suo nome specifico: Fusione: passaggio dallo stato solido a quello liquido; Solidificazione: passaggio dallo stato liquido a quello solido; Evaporazione/ebollizione: passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme; Condensazione: passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido; Sublimazione: passaggio dallo stato solido a quello aeriforme; Brinamento: passaggio dallo stato aeriforme a quello solido

La curva di riscaldamento La curva di riscaldamento di una sostanza pura è un grafico che mostra i valori della temperatura in funzione del tempo durante il processo di riscaldamento della sostanza. Questo grafico e’ utile per verificare il grado di purezza di un solido che consiste nel determinare la sua temperatura di fusione o punto di fusione (Il punto di fusione di una sostanza è definito come il valore di temperatura e pressione a cui coesistono la fase solida e la fase liquida in equilibrio termodinamico cioè senza che vi sia transizione fra le due fasi. ), la temperatura di fusione e’ una proprieta’ intensiva di tutte le sostanze pure quindi ogni sostanza pura ne possiede una caratteristica, nel grafico durante la temperatura di fusione si ha una sosta termica (B—C) e la lunghezza di essa dipende dalla quantita’ di sostanza che deve fondere. Un’ altra sosta termica si ha con l’ ebollizione ovvero la temperatura a cui la tensione di vapore eguaglia la pressione esterna (D—E), l’ebollizione e’ un’altra proprieta’ intensiva delle sostanze pure allo stato liquido. Una volta scomparso il liquido, la temperatura del vapore ricominciera’ a salire in maniera regolare (E--…). Ad esempio questa e’ la curva di riscaldamento dell'acqua distillata mantenuta alla pressione di 1 atmosfera

La sublimazione Il Brinamento La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido allo stato aeriforme, senza passare per lo stato liquido. Questo fenomeno si verifica per diversi materiali in cui le molecole sono legate debolmente tra loro, per cui basta un modesto aumento di temperatura perché si separino e si disperdano sotto forma di gas. Il Brinamento Il brinamento è il passaggio diretto dallo stato aeriforme a quello solido, senza passare per lo stato liquido. Questo passaggio di stato avviene con il contatto delle molecole sotto forma di gas con altre molecole più fredde. Questo provoca l'unificazione delle molecole che formano un corpo solido. 

La fusione La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido e avviene, a pressione costante, per acquisizione da parte del sistema di una certa quantità di calore con il conseguente aumento di temperatura, mantenendo però la struttura solida fino alla temperatura di fusione. Continuando a fornire calore si nota come il sistema mantenga costante la propria temperatura uguale alla temperatura di fusione ma con il tempo cominciano a formarsi le prime gocce di liquido. Durante questa fase si produce una coesistenza tra solido e liquido. Il calore fornito durante la coesistenza delle due fasi serve a disgregare i legami che tengono uniti gli atomi del solido e farlo passare allo stato liquido. In questa fase del processo la 1° legge della calorimetria viene sostituita dalla 2° legge che dice che la quantità di calore fornita nel cambiamento di fase è uguale al prodotto della massa della sostanza per un coefficiente chiamato calore latente di fusione (Q=m×lQml) che rappresenta la quantità di calore necessaria per fondere 1g di sostanza. Anche il calore latente di fusione è un parametro dipendente dal tipo di sostanza in quanto è legato all'entità delle forze che tengono uniti gli atomi e le molecole del solido. La pressione esterna ha un effetto importante nel processo di fusione. Quasi tutte le sostanze aumentano la temperatura di fusione all'aumentare della pressione esterna(per esempio se si comprime con una morsa un cubo di ferro e si somministra calore il ferro fonderà ad una temperatura superiore alla propria temperatura di fusione). E' logico che ciò avvenga in quanto la compressione rinforza i legami tra le molecole per cui è necessario fornire più calore per ottenere la fusione. Un numero minimo di sostanze, tra cui l'acqua, assume un comportamento anomalo, cioè all'aumentare della pressione esterna in essa diminuisce la temperatura di fusione.

Solidificazione La solidificazione è il passaggio di stato inverso a quello della fusione; si tratta, quindi, del passaggio dallo stato liquido a quello solido. Anche in questo caso, molto spesso, il passaggio di stato avviene quando vi è un cambiamento di temperatura; un esempio pratico consiste nel mettere in surgelatore una bottiglietta di acqua; dopo qualche ora l’acqua si sarà trasformata in ghiaccio, in seguito ad una diminuzione di temperatura. Il processo di solidificazione: l’energia viene ceduta all’ambiente. Queste sono alcune leggi che riguardano la solidificazione: per una qualunque sostanza, ad una determinata pressione, la solidificazione avviene ad una temperatura specifica, detta temperatura di solidificazione; questa è uguale in ogni caso alla temperatura di fusione della sostanza allo stato solido; per la conservazione dell’energia, si ha che l’energia necessaria per fondere una sostanza deve essere uguale in modulo a quella che si deve fornire per solidificare una stessa quantità di quella sostanza; In particolare, durante la solidificazione la sostanza cede energia all’ambiente; di conseguenza l’energia o il calore che si scambia avrà segno negativo: ΔE=–Lf⋅m Come avviene per la fusione, anche nel caso della solidificazione durante il processo la temperatura della sostanza rimane invariata, fino alla completa solidificazione. In questo caso, infatti, l’energia che viene ceduta dal liquido non servirà più a diminuire l’energia cinetica media delle sue particelle; servirà invece per permettere la ricostruzione del reticolo cristallino del solido.

Liquefazione  Passaggio dallo stato gassoso (o aeriforme) allo stato liquido. La liquefazione di un aeriforme può avvenire, per sola compressione, soltanto se l’aeriforme è a temperatura inferiore alla temperatura critica(cioè, propriamente, se l’aeriforme è un vapore, essendo gas a temperature superiori alla temperatura critica). A ciascuna temperatura uguale o inferiore alla temperatura critica la liquefazione avviene a una determinata pressione; quella corrispondente alla temperatura critica si chiama pressione critica; man mano che la temperatura si abbassa, anche la pressione occorrente per la liquefazione si abbassa. Qualunque sia la temperatura (purché inferiore a quella critica), la liquefazione è sempre accompagnata da sviluppo di calore: la quantità di calore che a una data temperatura si libera dall’unità di massa dell’aeriforme quando questa si trasforma nell’unità di massa liquida si chiama calore di liquefazione (alla temperatura considerata); il calore di liquefazione è uguale al calore di evaporazione. Alcuni aeriformi (ossigeno, azoto, idrogeno ecc.) furono a lungo considerati non liquefacibili e detti perciò ‘permanenti’ o ‘incoercibili’: si tratta invece di aeriformi a temperatura critica bassissima (ad esempio, per l’ossigeno, −118,6 °C) e quindi non liquefacibili per sola compressione a temperatura ambiente.

Vaporizazzione La vaporizzazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme e può avvenire secondo due modalità distinte, l'evaporazione e l'ebollizione. L'evaporazione è il passaggio da liquido a vapore che avviene in modo lento e regolare e interessa soltanto gli strati superficiali del liquido. Le particelle superficiali del liquido, meno legate di quelle interne, possono abbandonare il liquido e trasformarsi in vapore. L'evaporazione avviene a tutte le temperature, ma con diverse intensità: un aumento della temperatura infatti aumenta l'energia cinetica delle molecole del liquido e di conseguenza aumenta l'evaporazione. La quantità di particelle che evaporano dipende inoltre dalla superficie libera del liquido: più estesa è la superficie, maggiore è la probabilità che avvenga l'evaporazione. Se l'evaporazione avviene in ambiente chiuso, si raggiunge una condizione di equilibrio tra il liquido e il vapore tale per cui il numero delle particelle di liquido che si trasformano in vapore si mantiene nel tempo uguale al numero di particelle di vapore che si trasformano in liquido. In queste condizioni si dice che il vapore è saturo e la pressione alla quale si ha equilibrio è detta tensione di vapore (o pressione di vapore saturo). La tensione di vapore è diversa per ogni liquido e aumenta con la temperatura (v. fig. 12.1), ma è del tutto indipendente dalla massa del liquido. La tensione di vapore di una sostanza misura la sua volatilità, ovvero la sua capacità a evaporare, a una data temperatura: l'alcol, per esempio, è più volatile dell'acqua a temperatura ambiente. Si definisce calore latente di evaporazione la quantità di calore necessaria a far evaporare una massa unitaria di liquido. Quando un liquido evapora, sottrae all'ambiente una quantità di calore pari al calore latente di evaporazione (tale calore verrà restituito durante il processo inverso). Questo spiega, per esempio, la sensazione di freddo che si prova quando il sudore evapora sulla nostra pelle. L'ebollizione è il passaggio da liquido ad aeriforme (gas o vapore) che avviene in modo veloce e tumultuoso e interessa l'intera massa del liquido. In tutti i liquidi sono presenti bollicine gassose, nelle quali sono intrappolate molecole del liquido allo stato di gas o vapore. Quando la temperatura del liquido aumenta, le bollicine si dilatano e, quando la loro tensione di vapore coincide con la pressione esterna, si ha il fenomeno dell'ebollizione, nel quale le bollicine risalgono in superficie e liberano il vapore, o il gas, contenuto. L'ebollizione di un liquido, a una data pressione esterna, avviene a una determinata temperatura, detta temperatura di ebollizione (o punto di ebollizione), che resta costante durante tutto il processo di ebollizione. Si dice che il liquido bolle a quella determinata temperatura. La temperatura di ebollizione corrisponde alla temperatura alla quale la tensione di vapore del liquido uguaglia la pressione presente sulla superficie del liquido stesso. La temperatura di ebollizione varia con la pressione: aumenta all'aumentare della pressione esterna e diminuisce al diminuire della pressione esterna. Se diminuisce la pressione esterna, diminuisce la pressione alla quale può avvenire l'ebollizione, e di conseguenza quest'ultima può avvenire a temperatura più bassa, e viceversa all'aumentare della pressione esterna. La temperatura di ebollizione dell'acqua, per esempio, a pressione atmosferica normale (101,32 kPa), è di 100 °C; a pressioni pari a metà della pressione atmosferica normale (circa 50 kPa), condizione che si verifica per esempio a circa 5500 m di quota, l'acqua bolle a 86 °C. Aumentando la pressione esterna, l'acqua bolle a temperature superiori a 100 °C, come avviene per esempio nella pentola a pressione. La quantità di calore necessaria a provocare la completa ebollizione di una massa unitaria di liquido è detta calore latente di ebollizione.