Diagramma di fase

Un diagramma di fase di una sostanza, o diagramma di stato, è una rappresentazione sul piano temperatura-pressione in cui il quadrante viene suddiviso in tre regioni, ciascuna corrispondente a uno degli stati della materia.

 

Prima di studiare ciascuno dei passaggi di stato è bene acquisire un nuovo strumento, che agevolerà l'analisi delle condizioni termodinamiche in cui le sostanze si manifestano in un determinato stato o cambiano di fase.

 

I diagrammi di stato hanno esattamente questo scopo: fornire una panoramica relativa a valori di pressione, di temperatura e agli stati delle sostanze.

 

Diagrammi di fase: temperatura, pressione e stati della materia

 

Nella trattazione dei passaggi di stato può essere molto utile una particolare rappresentazione grafica che ci permette di capire quali sono le condizioni che consentono a una certa sostanza di mantenere il proprio stato o di mutarlo. Tale rappresentazione è data dai diagrammi di fase, rappresentazioni specifiche per ogni singola sostanza in cui si colloca sul piano cartesiano la pressione sull'asse y e la temperatura sull'asse x.

 

Ecco come appare un tipico diagramma di fase.

 

 

Diagramma di fase

Esempio di diagramma di fase di una specifica sostanza.

 

 

Come vedete il diagramma è diviso in più zone, ognuna corrispondente a un particolare stato della materia: solido, liquido e gassoso. Le linee che separano le varie regioni sono invece la rappresentazione delle condizioni di temperatura e pressione in cui si manifestano i passaggi di stato.

 

Come leggere un diagramma di stato

 

Proviamo a capire nel dettaglio come si legge un diagramma di stato, prendendo spunto da quello rappresentato nella precedente figura.

 

 

Punto specifico in un diagramma di fase

 

Al livello più semplice, se conosciamo la temperatura e la pressione alle quali si trova una certa sostanza, siamo in grado di capire qual è lo stato di aggregazione corrispondente.

 

Ad esempio se ci viene detto che la temperatura è T_1 e che la pressione è p_1, allora il punto A=(T_1,p_1) sul diagramma di fase ci dice che la sostanza in questione è allo stato solido, perché ci troviamo nel punto A che cade nella regione del diagramma corrispondente a tale stato (zona rosa).

 

 

Lettura di un diagramma di fase per un valore di pressione fissato

 

Proviamo a seguire la linea orizzontale corrispondente alla pressione p_1, dunque ci muoviamo sulla retta orizzontale

 

p=p_1

 

Se ci muoviamo verso destra significa che la pressione rimane costante e che la temperatura aumenta. La sostanza si trova inizialmente allo stato solido (zona rosa) fino a quando T non raggiunge il valore T_2: qui comincia il processo di fusione che, mantenendo la temperatura costante, fa passare la sostanza dallo stato solido allo stato liquido (zona verde acqua). T_2 è dunque la temperatura di fusione per il valore di pressione p_1.

 

p_1\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ T\mbox{ di fusione}=T_2

 

Ora che il solido è completamente fuso, possiamo continuare ad aumentare la temperatura e muoverci ancora di più verso destra, lungo la linea tratteggiata, fino al raggiungimento della temperatura di ebollizione T_4. Qui il liquido comincia a vaporizzare e passa allo stato gassoso (zona azzurra).

 

p_1\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ T\mbox{ di ebollizione}=T_4

 

Una volta che tutto il liquido è vaporizzato, possiamo riprendere a muoverci verso destra e scaldare ulteriormente il gas.

 

La linea tratteggiata che abbiamo appena seguito può anche essere percorsa al contrario: partendo dal fondo e muovendoci verso sinistra, il gas si raffredda fino alla temperatura di ebollizione T_4 e condensa. Se poi si raffredda il liquido, si raggiunge la temperatura di fusione T_2 ed esso solidifica. Dunque, percorrendo la linea al contrario, andiamo incontro a tutti i passaggi di stato inversi rispetto a quelli precedenti.

 

Proviamo ora a seguire la linea orizzontale corrispondente alla pressione p_2

 

p=p_2>p_1

 

Potremmo analizzare la situazione nello stesso modo che abbiamo appena visto per p_1, ma in questo caso notiamo come le temperature di fusione e di evaporazione non corrispondano più rispettivamente a T_2 e T_4, bensì a temperature più alte.

 

p_2\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ T\mbox{ di fusione}>T_2\\ \\ p_2\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ T\mbox{ di ebollizione}>T_4

 

Il diagramma di fase ci dice chiaramente che le temperature in corrispondenza delle quali avvengono i passaggi di stato cambiano al variare della pressione. È per questo che normalmente i valori delle temperature di fusione o di ebollizione vengono forniti specificando per quale valore di pressione sono validi (di norma la pressione atmosferica).

 

Se proviamo infine a seguire la retta orizzontale alla pressione p_3

 

p=p_3<p_1

 

ci accorgiamo che, una volta raggiunta la temperatura T_1, la sostanza solida comincia a sublimare e quindi a passare direttamente allo stato gassoso saltando la fase liquida

 

p_3\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ T\mbox{ di sublimazione}=T_1

 

 

Lettura di un diagramma di fase per un valore di pressione fissato

 

Un modo diverso di leggere un diagramma di stato consiste nel muoversi lungo una retta verticale, ad esempio lungo la retta di equazione

 

T=T_3

 

In questo caso fissiamo un particolare valore di temperatura e facciamo variare la pressione. Seguiamo tale retta a partire dal basso.

 

Per bassi valori di pressione la sostanza si trova allo stato gassoso ma, se la pressione aumenta, il gas raggiunge la linea di ebollizione e condensa diventando liquido. Aumentando ancora la pressione, possiamo permettere al liquido di raggiungere la linea di fusione e solidificare

 

T_3\mbox{ fissata}\ \Rightarrow\ p\mbox{ di sublimazione}=p_4

 

Questo modo diverso di leggere il diagramma ci dice chiaramente che i passaggi di stato non avvengono solo quando varia la temperatura, ma anche quando varia la pressione.

 

Linee di cambiamento di fase, punto triplo e punto critico

 

Sottolineiamo che, una volta raggiunta una linea e innescato un processo di cambiamento di stato, la sostanza mantiene la stessa temperatura fino a quando il processo non è concluso, e cioè fino a quando tutta la massa non ha effettuato il passaggio da uno stato all'altro. Non bisogna quindi credere che il passaggio avvenga istantaneamente: esso infatti richiede un certo intervallo tempo in cui la sostanza si troverà ferma in un punto del diagramma, lungo una linea considerata, prima di procedere verso un'altra zona del diagramma.

 

Da specificare anche che le linee di cambiamento di fase rappresentano tutti i punti in cui si hanno le giuste condizioni di temperatura e pressione affinché due stati di una sostanza possano coesistere simultaneamente. In un punto qualsiasi della linea di fusione ad esempio coesistono lo stato solido e lo stato liquido.

 

C'è però solo un punto di tutto il diagramma in cui possono coesistere tutti e tre gli stati: il punto triplo

 

\mbox{punto triplo: }(T_T,p_T)

 

Il punto triplo dell'acqua ad esempio corrisponde alle condizioni di pressione di 611,7 Pa e temperatura di 0,01 °C (273,16 K). Bisogna sottolineare che il punto triplo è unico, e che non esiste nessun'altra possibile combinazione di pressione e temperatura tali per cui le tre fasi di una sostanza possano coesistere. Inoltre, il punto triplo ci fornisce il valore minimo di temperatura per la quale la sostanza può presentarsi in forma liquida.

 

Per citare un altro esempio, l'anidride carbonica presenta un punto triplo in corrispondenza di un valore di pressione superiore a 1 atm. Ecco perché a pressione atmosferica non troviamo mai anidride carbonica liquida, ed ecco anche perché il ghiaccio secco (anidride carbonica allo stato solido) sublima passando direttamente allo stato gassoso.

 

Un altro punto particolare del diagramma che merita attenzione è il punto critico

 

\mbox{punto critico: }(T_C,p_C)

 

in cui la sostanza si trova in uno stato non ben definito, ove non è più possibile fare una netta distinzione tra liquido e gas. Ci troviamo in questa situazione in tutta la porzione del diagramma che si trova a destra della temperatura critica T_C e al di sopra della pressione critica p_C. La regione del diagramma di stato corrispondente a valori T>T_C e p>p_C prende il nome di regione supercritica.

 

 


 

Come promesso, a partire dalla lezione successiva studieremo ciascuno dei passaggi di stato separatamente. Nel frattempo vi segnaliamo alcuni tool e approfondimenti che potrebbero esservi utili nella risoluzione degli esercizi, e più in generale nello studio:

 

- diagramma di stato dell'acqua

 

- diagramma di stato online

 

- punto triplo online

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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