Gli stati della materia: solido, liquido e gassoso

ogni particella si muove indipendentemente dalle altre

le particelle si muovono, ma interagiscono tra di loro

Movimento vibrano attorno a delle delle posizioni fisseparticelle:

variabile: la stessa del contenitore

costanteVolume: costante

variabile: la stessa del contenitore

variabile: la stessa del contenitore

Forma: costante, rigida e fissa

Stato solido Stato liquido Stato gassoso

I passaggi di stato

sublimazione

brinamento

fusione

vaporizzazione

(evaporazione/ebollizione)

condensazione

solido

liquido

aeriforme

solidificazione

Tem

pera

tura

(°C

)

tempo di riscaldamento (min)

Tf (0°C a P=1 atm)

ghiaccio

ghiaccio + acqua

acqua

La curva di fusione dell’acqua

SOSTA TERMICA

ghiaccio ghiaccio + acqua

acqua

FUSIONE: da solido a liquido

Tem

pera

tura

(°C

)

tempo di riscaldamento (min)

Te (100°C a P=1 atm)

acqua

acqua + vapore

vapor

e

E’ il passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore che avviene nell'intero volume del liquido.

SOSTA TERMICA

vaporeacqua

EBOLLIZIONE: da liquido ad aeriforme

Tem

pera

tura

(°C

)

tempo di raffreddamento(min)

liquido + vaporeliquido

vapore

T=100°C (P=1atm)

CONDENSAZIONE: da vapore a liquidoIl grafico della condensazione ha un andamento inverso rispetto all’ebollizione. Ma esiste anche la LIQUEFAZIONE: è il passaggio dallo stato di vapore allo stato liquido che avviene nell'intero volume del liquido, poco comune per l'acqua. Avviene in altri gas (ad esempio la CO2) con l'aumento della pressione.

SOSTA TERMICA

Tem

pera

tura

(°C

)

tempo di raffreddamento (min)

liquido + solido

solido

liquido

T=0°C

SOLIDIFICAZIONE: da liquido a solido

(Il grafico della solidificazione ha un andamento inverso rispetto alla fusione)

SOSTA TERMICA

EVAPORAZIONE: da liquido a vapore

L’evaporazione è un fenomeno che riguarda solo la superficie del liquido: le particelle con energia cinetica sufficiente possono vincere le forze di attrazione che le legano alle altre particelle e diventare vapore.

L’evaporazione è favorita dall’aumento della superficie del liquido, dalla ventilazione, dall’incremento della temperatura. La velocità con cui il liquido evapora è diversa da liquido a liquido.

Le particelle in superficie devono vincere forze di attrazione di minore entità rispetto a quelle presenti all’interno del liquido

Forze di coesione

La tensione di vapore Situazione

inizialeEquilibrio a 25°C Equilibrio a 40°C

24

to

rr

55

to

rr

In un recipiente chiuso, le particelle di vapore si concentrano sempre più nello spazio sovrastante il liquido, opponendosi all’evaporazione e favorendo la condensazione: la velocità di evaporazione gradualmente diminuisce, quella di condensazione aumenta, finché diventano uguali; si è raggiunto uno stato di equilibrio dinamico, cioè il numero di particelle che evaporano è uguale al numero di particelle che condensano in un dato intervallo di tempo, e il vapore viene definito saturo Si chiama tensione di vapore la pressione esercitata dal vapore saturo sul proprio liquido.

1 torr = mmHg

La tensione di vapore indica la tendenza di un liquido a passare allo stato di vapore (volatilità). Essa interessa tutti i liquidi e dipende, oltre che dalla natura delle particelle e dall’intensità delle loro reciproche interazioni, anche dalla temperatura e dalla pressione cui si trova il liquido (l’evaporazione è favorita da un aumento della temperatura e dalla diminuzione della pressione).

alcol etilico

Temperatura (°C)50 60 70 80 90 100

Tensi

one d

i vapore

(m

m H

g)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

variazione della tensione di vapore di alcuni liquidi in funzione della temperatura

760

benzeneacqua

L’ebollizioneL’acqua bolle a 100°C perché, a tale temperatura, la tensione di vapore dell’acqua diventa pari a 1 atmosfera: in questa situazione la pressione esterna non riesce più a schiacciare le bolle di vapore che si originano dentro il liquido, che così comincia a bollire

Pressione atmosferica Pressione esercitata dalle molecole di vapore che urtano contro le pareti della bolla

Pressione dell’atmosfera verso l’interno

Ebollizione

Prende nome di ebollizione la vaporizzazione che avviene in ogni punto del liquido, quando la tensione di vapore eguaglia la pressione esterna.

A una data pressione, l’ebollizione di ogni liquido avviene ad una temperatura caratteristica e costante che prende il nome di punto di ebollizione (o temperatura di ebollizione).

Il punto di ebollizione normale di un liquido è la temperatura alla quale la sua tensione di vapore è pari ad una atmosfera.

I liquidi più volatili dell’acqua come l’alcol etilico e l’etere etilico, hanno un punto di ebollizione normale minore di quello dell’acqua, perché la loro tensione di vapore raggiunge il valore di un’atmosfera a temperature inferiori a 100°C. (Legge di Raoult)

Particolarmente pericoloso risulta il fenomeno della condensazione nel caso in cui avvenga su superfici interstiziali e non su superfici esterne, in quanto può compromettere gravemente le strutture provocando casi di sfondellamento dei solai: il vapore condensato si accumula

negli interstizi facendo deteriorare il laterizio che cede nei suoi strati inferiori staccandosi insieme all'intonaco (Molto frequente in edifici caratterizzati dalla

presenza di un alto numero di persone o animali, quali scuole o stalle.)

Frequente anche il distacco dell'intonaco della facciata sulle

superfici verticali, favorito dall'utilizzo di intonaci

idrorepellenti e impermeabili che non permettono al vapore di

uscire dal pacchetto murario.

DIAGRAMMA DI FASE

I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante, come si può leggere dal grafico seguente relativo ai cambiamenti di

stato dell'acqua. Consideriamo di avere del ghiaccio a -40°C, la sua capacità termica specifica (cg =2090 J/kgK) è circa la metà di

quella dell'acqua allo stato liquido (ca=41867 J/kgK ) e poco superiore a quella del vapore ( cpv =1940 J/kgK ) . La temperatura del ghiaccio salirà da -40°C fino a 0°C in modo lineare, ma, giunta

a 0°C essa rimarrà costante per un certo periodo, ovvero per il tempo necessario a far sì che tutto il ghiaccio si fonda in acqua allo stato liquido. A questo punto la temperatura ricomincerà a

salire fino ad arrivare a 100°C, il punto nel quale inizia la vaporizzazione dell'acqua, e rimarrà costante fono a quando tutto

il liquido non sarà diventato vapore, per poi subire un ulteriore incremento.

Possiamo quindi distinguere il grafico dei cambiamenti di stato dell'acqua in cinque tratti, dei quali tre MONOFASE, ovvero che vedono tutto il volume della sostanza in un medesimo stato, e due BIFASE, nei quali la sostanza sta cambiando il proprio stato, quindi convivono due

forme differenti. Nei tratti MONOFASE (1-3-5) la sostanza assume capacità termiche specifiche, in particolare per l'acqua: tratto 1, SOLIDO

: c= 2090 J/kgK tratto 3, LIQUIDO: c= 4187 J/kgK tratto 5, VAPORE: c=1900 J/kgK. Nei CAMBIAMENTI DI FASE, ovvero nei tratti 2 (FUSIONE) e 4 (VAPORIZZAZIONE), non è possibile definire una Capacità Termica Specifica, sarebbe infinita usando la formula, essendo la variazione di

temperatura pari a zero, ma non avrebbe senso considerarla tale. Possiamo inoltre notare come, percorrendo il grafico al contrario, dallo stato di vapore a quello solido, il passaggio da vapore a stato liquido (tratto 4) possa essere individuato come tratto di CONDENSAZIONE,

mentre quello da liquido a solido (tratto 2) come tratto di SOLIDIFICAZIONE.

Definiamo CALORE LATENTE la quantità di calore necessaria a far avvenire un cambiamento di stato. In particolare, CALORE LATENTE DI FUSIONE la quantità di calore necessaria affinché avvenga il cambiamento di stato da solido a liquido e CALORE LATENTE DI VAPORIZZAZIONE quella necessaria per il passaggio da liquido a vapore. Tali valori sono uguali in modulo, ma contrari, rispettivamente al CALORE LATENTE DI SOLIDIFICAZIONE (liquido-> solido) e al CALORE LATENTE DI CONDENSAZIONE (vapore->solido) liberati dall'acqua durante tali processi. L'apporto o la cessione di queste quantità di calore può avvenire sia in maniera spontanea che indotta (ad esempio l'acqua per diventare ghiaccio cede calore in modo forzato se messa in una macchina frigorifera).

Il calore latente

Il calore latente cambia a seconda della temperatura alla quale avviene il relativo cambiamento di stato. Ad esempio nel caso di fusione a 0°C esso risulta essere 333 kJ/kg, mentre nel caso della vaporizzazione a 100°C è 2272 kJ/kg. La vaporizzazione, però, avviene anche a temperature ben più basse (pensiamo all'acqua calda della doccia, o al vapore emesso con il respiro), alle quali il valore del calore latente è diverso da quelli precedentemente indicati.