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Introduzione - Propagazione - Legge fondamentale - Passaggi di stato

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Passaggi di stato


Lo stato di aggregazione di una sostanza, o fase, è una caratteristica che coinvolge la natura fisica di una sostanza e dipende dalla sua temperatura e pressione: per una introduzione agli stati di aggregazione della materia, visita questa pagina.

Un passaggio di stato, o transizione di fase, è una trasformazione che, al variare di temperatura e pressione, permette ad una sostanza di cambiare il proprio stato di aggregazione.

I passaggi di stato prendono il nome a seconda di quali stati coinvolgono (vedi figura 1):

  • da solido a liquido: liquefazione
  • da solido a gas: sublimazione
  • da liquido a solido: solidificazione
  • da liquido a gas: vaporizzazione (o ebollizione)
  • da gas a solido: brinamento
  • da gas a liquido: condensazione
  • da gas a plasma: ionizzazione (o irraggiamento)
  • da plasma a gas: deionizzazione
transizione di fase
Figura 1

Per ottenere lo stato di fluido supercritico, occore aumentare le temperatura e la pressione al di sopra dei valori di punto critico.

In generale, a pressione fissata, per passare da stato solido a liquido, da solido a gas, da liquido a gas o da gas a plasma occorre fornire calore alla sostanza; al contrario per operare le trasformazioni inverse occore togliere calore alla sostanza, o meglio, la sostanza deve cedere calore all'ambiente.

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Calore latente


Fornendo calore ad un corpo allo stato solido la temperatura aumenta fino al raggiungimento di una particolare temperatura alla quale il corpo passa dallo stato solido al liquido; analogamente fornendo calore ad un corpo allo stato liquido la temperatura aumenta fino al raggiungimento di un'altra particolare temperatura alla quale si ha il passaggio da liquido a gas.

La temperatura alla quale avviene il passaggio da solido a liquido (o viceversa) si chiama punto di fusione (TF); la temperatura alla quale avviene il passaggio da liquido a gas (o viceversa) si chiama punto di vaporizzazione (TV); queste due temperature dipendono dalla sostanza e dalla pressione a cui si trova, come indicato in figura 2, dove entrambi i punti sono rappresentati all'interno di un generico diagramma di fase, per un fissato valore di pressione.

punto di fusione e punto di vaporizzazione
Figura 2

Abbiamo visto la pagina precedente come il calore faccia aumentare la temperatura del corpo, in base alla legge della calorimetria; tuttavia questo non avviene durante il passaggio di stato.

Il calore fornito ad un corpo, durante un passaggio di stato, non provoca un aumento della temperatura del corpo, ma è utilizzato esclusivamente per far passare di stato tutta la massa coinvolta.

Il calore necessario per far passare completamente di stato un corpo si calcola con la formula:

Q = λ(x) m

Dove m è la massa del corpo e λ(x) è un coefficiente chiamato calore latente e si misura in J/kg; esso dipende dal materiale e dalla pressione, e la (x) dipende dal tipo di passaggio di stato:

  • calore latente di funzione λF per la fusione e la solidificazione;
  • calore latente di vaporizzazione λV per la vaporizzazione e la condensazione;
  • calore latente di sublimazione λS per la sublimazione e il brinamento.

Attenzione a non confondere il calore latente con il coefficiente di dilatazione lineare!
Nella tabella seguente si elencano le temperature di fusione (TF) e vaporizzazione (TV) di alcune sostanze, a pressione atmosferica (p0 = 1,01·105 Pa), con i relativi valori di calori latenti.

SOSTANZA TF (K)λF (kJ/kg) TV (K)λV (kJ/kg)
Idrogeno 1458 20448
Ossigeno 5413,9 90213
Azoto 6325,7 77198
Metano 9158,7 112511
Alcol et. 159104 351854
Mercurio 23411,4 630294
Acqua 273334 3732272
Piombo 60123 2022866
Argento 1235105 24352355
Oro 133763,7 30811697
Rame 1359207 28684730
Ferro 1808272 31346698

Esempio 3.

Quanto calore è necessario fornire ad una massa di 3kg di ghiaccio a 0°C, per fonderlo completamente in acqua?

Dati:
m = 3kg
T = 0°C (= TF dell'acqua)
λF = 334 kJ/kg   ⇒   3,34 · 105 J/kg
Q = incognita

Soluzione:
Dal momento che ci troviamo già alla temperatura di fusione, tutto il calore fornito non potrà aumentare la temperatura ma servirà completamente a fondere il ghiaccio, secondo la formula:

Q = λF m

Applichiamo quindi questa formula:

Q = 3,34 · 105 J/kg · 3 kg

Q = 10,02 · 105 J

Q ≈ 106 J

Conclusione: per fondere i 3kg di ghiaccio sono necessari circa 106 J di calore.

In pratica: fornendo calore ad un corpo allo stato solido, esso aumenterà la temperatura fino a raggiungere la temperatura di funzione (TF); continuando a fornire calore, la temperatura si stabilizza e il corpo inizia a passare allo stato liquido; una volta che tutto il corpo è allo stato liquido, il calore fornito riprende a far aumentare la temperatura, fino al raggiungimento della temperatura di vaporizzazione (TV); anche in questo caso, continuando a fornire calore, la temperatura si ristabilizza e il corpo inizia a passare allo stato gassoso; quando tutto il corpo è allo stato gassoso, il calore fornito riprende a far aumentare la temperatura.
Possiamo schematizzare questo processo con il grafico in figura 3:

grafico tempo-temperatura-calore
Figura 3

Nel grafico si descrive la variazione di temperatura in funzione del tempo trascorso, in una situazione in cui il calore viene fornito con potenza costante e a pressione costante; le due zone pianeggianti corrispondono ai due passaggi di stato, in cui la temperatura non varia nel tempo; le zone inclinate indicano la invece l'aumento di temperatura nel tempo, dovuto alla presenza di un solo stato (solido, liquido o gas).

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