Condensazione

La condensazione è il passaggio di stato in cui i gas passano allo stato liquido cedendo calore all'ambiente esterno. Si tratta di un cambiamento di fase che non è caratterizzato da un valore specifico di temperatura per ogni sostanza, né di pressione, ed è il processo inverso dell'evaporazione.

In una delle precedenti lezioni abbiamo studiato il processo di evaporazione dei liquidi. Ora ci occupiamo del cambiamento di fase inverso: spiegheremo nel dettaglio cos'è la condensazione, quali sono le cause fisiche che la determinano e quali sono le condizioni di temperatura e di pressione che inducono i gas a condensare.

Ne approfitteremo inoltre per spiegare brevemente quali sono le conseguenze della condensazione dell'aria da un punto di vista climatico, e come tale fenomeno influenza la temperatura negli ambienti particolarmente umidi e in quelli aridi.

Condensazione: passaggio di stato da gassoso a liquido

Per spiegare in cosa consiste il processo di condensazione possiamo fare riferimento all'esperienza quotidiana. Le gocce d'acqua che si formano sulle pareti di una bottiglia fredda o sui vetri delle finestre d'inverno sono esempi di condensazione dell'aria. In effetti si tratta di un fenomeno a noi ben noto, ma quali sono le cause fisiche che lo determinano?

Se si ha presente quali sono le cause microscopiche dell'evaporazione, comprendere le cause fisiche della condensazione è estremamente semplice. Perché possa avvenire la condensazione è necessario sottrarre calore a un gas. In questo modo l'energia cinetica delle molecole del gas si riduce, e si possono formare legami intermolecolari più forti di un liquido. Da un punto di vista microscopico le molecole di gas a contatto con una superficie più fredda cedono ad essa calore; l'energia cinetica delle molecole si riduce e i legami dei costituenti del gas si rinforzano. Le molecole del gas passano così allo stato liquido, formando quella che nel linguaggio comune viene chiamata condensa.

Non a caso infatti la condensazione dell'acqua, che è quella che più ci è familiare, avviene ogni volta che si ha una superificie fredda. Nell'aria è presente naturalmente una certa percentuale di vapore acqueo, variabile a seconda del tasso di umidità. Il vapore, quando viene a contatto con la superficie fredda di una bottiglia d'acqua appena tolta dal frigo o con un vetro freddo, si raffredda al punto da non riuscire più a mantenere il proprio stato gassoso passando così a quello liquido.

Temperatura nel processo di condensazione

Passiamo ad analizzare le condizioni termodinamiche per cui si verifica il processo di condensazione di un dato gas. In modo analogo rispetto alla lezione sull'evaporazione, vedremo che un gas può condensare a diversi valori di temperatura. A tal proposito è importante non confondere la temperatura del gas con quella dell'ambiente circostante e degli eventuali corpi a contatto con esso; inoltre, nel caso vogliate ricondurre le seguenti considerazioni all'esperienza quotidiana, bisogna considerare che l'aria che respiriamo è un composto e non è (ovviamente) costituita solamente da vapore acqueo. :)

1) Esattamente cone nel caso dell'evaporazione, non esiste un valore di temperatura di condensazione ben definito per ciascun gas. La condensazione è un passaggio di stato che può avvenire a qualsiasi temperatura del gas che sia superiore alla temperatura di ebollizione: non c'è dunque un valore specifico di temperatura associabile ad ogni sostanza, raggiunto il quale si innesca il processo di condensazione (come avviene ad esempio per la fusione).

Oltre alla temperatura del gas bisogna inoltre tenere conto della temperatura dell'ambiente circostante e dei corpi a contatto con esso, in prossimità dei quali si manifestano scambi di calore.

2) Al diminuire della temperatura aumenta l'intensità del fenomeno di condensazione. In modo piuttosto intuitivo infatti temperature più basse comportano una diminuzione dell'energia cinetica delle molecole del gas, e dunque una minore velocità; di conseguenza il gas cede calore all'ambiente circostante e i legami intermolecolari tendono a rafforzarsi.

3) Se da un lato l'evaporazione assorbe calore affinché possa avvenire, essendo un processo endotermico, la condensazione è invece un processo esotermico, cioè tale da cedere calore all'ambiente. Non stupisce che le cose stiano in questo modo, dato che la condensazione è il processo inverso dell'evaporazione. Per poter condensare e passare allo stato liquido, infatti, le molecole del gas devono perdere energia cinetica; diminuendo il moto di agitazione molecolare del gas, le distanze medie tra le molecole si riducono e si formano i legami più forti tipici di un liquido. L'energia cinetica persa dalle molecole del gas si converte in calore ceduto all'ambiente.

Per via della sua natura esotermica, la condensazione contribuisce alla regolazione della temperatura nell'aria. Ad esempio, nelle località molto umide la concentrazione di vapore acqueo nell'aria che tende a condensare di notte è piuttosto alta. Poiché la condensazione libera calore, la temperatura nelle ore serali e notturne fatica a scendere. Nelle zone aride dove il clima è molto secco, come i deserti, la scarsa presenza di umidità nell'aria crea un debole effetto di condensazione notturna, cosicché il calo di temperatura una volta tramontato il sole è più sensibile.

4) Oltre a ciò, come per ogni altro cambiamento di fase, la condensazione può essere causata non solo da una diminuzione della temperatura ma anche dall'aumento della pressione sul gas. Questa seconda possibilità però è meno usuale nella nostra esperienza quotidiana, visto che la maggior parte dei fenomeni di condensazione avvengono a pressione atmosferica costante.

In particolare, fissando determinati valore di pressione l'intervallo di temperatura per cui una data sostanza si presenta allo stato gassoso (e dunque è in condizione di evaporare) varia; viceversa, per determinati valori di temperatura cambia l'intervallo di pressione. A questo proposito il diagramma di fase è un utile strumento che permette di leggere in un colpo solo tutti i valori di temperatura e pressione per cui una sostanza può presentarsi in un certo stato della materia.

Esempio: diagramma di stato dell'acqua.

5) Per le ragioni descritte in precedenza non è possibile definire le nozioni di temperatura di condensazione né di punto di condensazione. Riguardo al calore ceduto da un gas in fase di condensazione all'ambiente esterno, esso può essere calcolato con la formula del calore latente: in questo contesto prende il nome di calore latente di condensazione, ed è per definizione la quantità di calore necessaria affinché 1 chilogrammo di sostanza condensi completamente.

Il calore latente di condensazione non è altro che il calore latente di vaporizzazione, con la differenza che nel caso in esame il calore viene ceduto dalla sostanza e non assorvito. Poiché il calore latente dipende dalla temperatura e dalla pressione, e poiché se fissiamo un certo valore di pressione non esiste uno specifico valore di temperatura di condensazione, non è possibile fornire a priori una tabella di riferimento con i valori dei calori latenti di condensazione delle varie sostanze.

Relazione tra condensazione ed evaporazione

Da ultimo, evaporazione e condensazione sono cambiamenti di fase che possono avvenire simultaneamente. Se poniamo una certa quantità di acqua in un contenitore in cui è stato fatto il vuoto, a prescindere dalla temperatura l'acqua comincia immediatamente a evaporare, formando così vapore che va a occupare lo spazio libero sovrastante la massa liquida. Nel contempo alcune molecole del vapore appena creatosi cominciano a condensare, e tornano a far parte del liquido. Ci sarà un momento in cui viene raggiunto l'equilibrio: a ogni molecola del liquido che evapora ne corrisponde una del vapore che condensa. In questa situazione, il vapore ha raggiunto un valore di pressione detto pressione di vapore, che cambia a seconda della temperatura.

Da questo punto di vista, c'è una piccola curiosità con cui ognuno di noi ha sicuramente avuto a che fare: il vapore acqueo che vediamo salire da una tazza di the caldo è dovuto alle molecole d’acqua che evaporano ma che in un secondo momento, a contatto con l’aria più fredda, condensano formando delle goccioline di acqua piccolissime ma sufficientemente grandi da essere visibili.

È tutto! Nelle lezioni successive ci occuperemo delle transizioni tra lo stato solido e lo stato gassoso, a cominciare dalla sublimazione. Nel frattempo se siete in cerca di esercizi risolti, approfondimenti o di risposte ai vostri dubbi vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna. ;)

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

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