Ebollizione, temperatura di ebollizione e punto di ebollizione

L'ebollizione è un cambiamento di fase in cui le sostanze passano dallo stato liquido allo stato gassoso. A differenza dell'evaporazione, che coinvolge solamente la superficie dei liquidi, il processo di ebollizione riguarda l'intero volume e comporta la vaporizzazione dell'intera massa di liquido.

 

Proseguiamo con lo studio degli stati della materia e in particolare dei passaggi di stato. Dopo aver analizzato il fenomeno di evaporazione passiamo a spiegare il significato fisico dell'ebollizione, fornendone una definizione e descrivendo le cause e le caratteristiche di tale processo.

 

Riproporremo in particolare le differenze tra ebollizione, evaporazione e vaporizzazione, dopodiché studieremo le condizioni termodinamiche che la determinano e spiegheremo nel dettaglio quali sono i valori di temperatura di ebollizione delle varie sostanze.

 
 

Ebollizione: passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso

 

Nella precedente lezione abbiamo descritto il processo di evaporazione e abbiamo accennato all'ebollizione, associandoli entrambi al passaggio di stato da liquido a gassoso. Prima di spiegare cos'è l'ebollizione di un liquido e quali sono le cause che la determinano, è bene ribadire le differenze tra i due fenomeni:

 

- l'evaporazione è un cambiamento di fase che riguarda solamente la superficie del liquido, e per mezzo del quale la superficie libera passa dallo stato liquido a quello gassoso;

 

- l'ebollizione è un cambiamento di fase da solido a gassoso che coinvolge l'intera massa del liquido, e che gli permette di passare allo stato gassoso.

 

- ebollizione ed evaporazione, essendo entrambi passaggi dallo stato liquido a quello aeriforme, fanno parte del più ampio fenomeno di vaporizzazione.

 

Esattamente come per gli altri cambiamenti di fase, l'ebollizione di un liquido è dovuta al raggiungimento di una determinata temperatura che dipende dal valore di pressione cui è sottoposta la sostanza. Se si considera un valore di pressione costante, come ad esempio quello della pressione atmosferica, allora un liquido è soggetto a ebollizione solamente se raggiunge la temperatura di ebollizione caratteristica della sostanza.

 

Cause e condizioni per l'ebollizione

 

Consideriamo un liquido e immaginiamo di chiuderlo dentro un contenitore, vuoto in modo che non vi possa essere nessuno scambio di materia tra l'interno e l'esterno. Per via dell'evaporazione, che avviene a qualunque temperatura compresa tra quella di fusione e quella di ebollizione, le molecole che si trovano sulla superficie del liquido evaporano fino a quando lo spazio sovrastante il liquido non è occupato da vapore.

 

La pressione del vapore cresce man mano che il liquido evapora, fino a quando non raggiunge un valore massimo detto pressione di vapore. A quel punto, il vapore e il liquido sono in equilibrio; questo vuol dire che, in media, a ogni molecola di liquido che evapora ne corrisponde una di vapore che condensa, e che torna a far parte del liquido.

 

Quando si fornisce calore a un liquido posto in un contenitore aperto, la sua temperatura sale progressivamente ed evapora alla superficie. Quando la pressione del vapore generato dal liquido in evaporazione uguaglia quella esterna, allora si manifesta l'ebollizione.

 

Consideriamo ad esempio l'ebollizione dell'acqua, un fenomeno che tutti ben conosciamo e che possiamo capire più facilmente. Immaginiamo di trovarci in condizioni di pressione atmosferica: se scaldiamo l'acqua liquida in una pentola, la vediamo diventare sempre più calda e l'evaporazione si fa tanto più evidente quanto più la temperatura si innalza. A un certo punto però l'acqua comincia a bollire. È in quel momento che la pressione del vapore che l'acqua sta generando è uguale alla pressione atmosferica: questa è la causa che innesca il processo di ebollizione.

 

La differenza tra ebollizione ed evaporazione si fa ancor più evidente quando viene raggiunta la condizione di ebollizione: se da un lato l'evaporazione è un passaggio di stato che interessa soltanto la superficie libera del liquido, l'ebollizione interessa tutta la massa del liquido. In un certo senso l'ebollizione è l'evaporazione di tutta la massa di liquido. Se ad esempio consideriamo l'acqua a pressione atmosferica e a 100 °C, si possono osservare delle bolle che si muovono dal basso verso l'alto: sono bolle di vapore formatesi a causa dell'evaporazione di molecole nella massa del liquido. Essendo più leggere dell'acqua liquida circostante, le bolle emergono e rilasciano nell'aria il loro contenuto di vapore.

 

Temperatura e calore nel processo di ebollizione

 

Man mano che viene conferito calore a un liquido, la sua temperatura aumenta secondo la legge del calore specifico e il fenomeno di evaporazione aumenta progressivamente di intensità. Quando la sostanza raggiunge le condizioni per l'ebollizione, il calore che le viene ceduto non contribuisce più a un aumento di temperatura: in fase di ebollizione l'energia viene infatti spesa dal liquido per rompere i legami tra le sue molecole e per passare allo stato gassoso. In questo frangente il calore necessario per compiere la transizione liquido-gassoso dipende dalla massa della sostanza, ed è individuato dalla formula del calore latente.

 

Trattandosi di un passaggio di stato, durante tutta la fase di ebollizione, la temperatura resta costante. Se continuiamo a fornire calore a un liquido che bolle, tutta l'energia fornita andrà a rompere i legami intermolecolari del liquido aumentando l'energia cinetica delle molecole che si liberano dal liquido formando il gas. I legami tra le molecole diventano così più deboli e aumentano le distanze medie reciproche tra le molecole contigue. Soltanto quando tutta la massa liquida si è trasformata interamente in gas, allora è possibile riscaldare il gas ottenuto innalzandone temperatura.

 

Temperatura di ebollizione e punto di ebollizione

 

A differenza dell'evaporazione, che può avvenire a diverse temperature, l'ebollizione avviene solo una volta che il liquido ha raggiunto una temperatura specifica che dipende dalla sostanza considerata, e che viene detta temperatura di ebollizione.

 

Più precisamente, la temperatura non è l'unica variabile termodinamica di cui dobbiamo tenere conto; la seconda variabile da prendere in considerazione è la pressione. Quando nel linguaggio comune facciamo riferimento alla temperatura di ebollizione di una sostanza, dicendo ad esempio che l'acqua bolle a 100 °C, ci stiamo implicitamente riferendo a un determinato valore di pressione, dato dalla pressione atmosferica (1 atm = 101325 Pa).

 

Per questi motivi in generale ha senso introdurre il concetto di punto di ebollizione, definito come una qualsiasi coppia di valori (T,P) (temperatura, pressione) in concomitanza dei quali un liquido bolle. Ogni sostanza ammette diversi punti di ebollizione, individuabili sperimentalmente e caratteristici della sostanza considerata.

 

Ricapitolando:

 

1) nel processo di ebollizione la temperatura del liquido rimane invariata nonostante gli venga conferito calore;

 

2) se si parla di temperatura di ebollizione si fa riferimento implicitamente alla pressione atmosferica (1 atm);

 

3) per una data sostanza è possibile rappresentare l'insieme di tutti i suoi punti di ebollizione in un apposito grafico nel piano cartesiano OTP, detto diagramma di stato e tale da riassumere tutte le condizioni per cui la sostanza si presenta in un determinato stato o effettua un particolare cambiamento di fase. La linea che individua tutti e soli i punti di ebollizione è detta curva di saturazione.

 

 

Punto di ebollizione nel diagramma di fase

Diagramma di stato dell'acqua e curva di saturazione.

 

 

Se volete consultare i diagrammi di fase delle altre sostanze potete usare il tool della pagina del link.

 

A proposito: all'inizio della lezione abbiamo considerato il caso di un liquido in ebollizione in un contenitore aperto, e abbiamo descritto brevemente ciò che accade se si considera un contenitore chiuso. Se riscaldiamo un liquido mantenuto in un recipiente chiuso, allora l'ebollizione non avviene. Per via della continua evaporazione, accade che la densità del vapore aumenta costantemente mentre diminuisce quella del liquido, fino a quando le due densità si uguagliano e di fatto scompare la superficie libera del liquido, cioè quella superficie netta che distingue e divide il liquido dal gas: i due stati della materia non si distinguono più. Questa situazione si ha quando si raggiunge un particolare valore di temperatura detta temperatura critica. A questa temperatura corrisponde un particolare valore di pressione detta pressione critica.

 

Nel caso dell'acqua, la temperatura critica è pari a 374 °C; a questa temperatura la pressione di vapore ha raggiunto il valore di 218 atm, quindi è bene che il contenitore sia molto robusto. ;)

 

Legge fisica e formula per il processo di ebollizione

 

Come per altri passaggi di stato, la formula che descrive il processo di ebollizione dal punto di vista termodinamico è quella del calore latente

 

 Q = m L_{v}

 

dove Q è il calore che il corpo deve assorbire per bollire, m è la sua massa e L_v è il calore latente di vaporizzazione (o di ebollizione, o di evaporazione), che assume valori diversi a seconda del materiale e che rappresenta la quantità di energia che è necessario fornire a un chilogrammo della sostanza affinché possa vaporizzarsi completamente.

 

Attenzione: è fondamentale specificare che L_v è il calore latente di vaporizzazione perché, come sappiamo, il calore latente di una specifica sostanza assume valori diversi a seconda del cambiamento di fase considerato. Il valore di L_v più ricorrente nelle applicazioni e negli esercizi è quello relativo all'acqua, che vale

 

L_{v,H2O}=2,26\cdot 10^6\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}

 

Ciò significa che 1 chilogrammo d'acqua necessita di un calore pari a 2,26 · 106 joule per evaporare completamente.

 

Esempio

 

Quale quantità di energia dobbiamo fornire a 3 kg di acqua, portata a bollore a 100 °C e alla pressione di 1 atm, per vaporizzarla completamente?

 

Per risolvere l'esercizio calcoliamo la quantità di calore necessaria per la completa evaporazione della massa d'acqua:

 

Q=mL_v=(3\mbox{ kg})\cdot \left(2,26\cdot 10^6\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}\right)=6,78 \cdot 10^6\mbox{ J}

 

Tabella delle temperature di ebollizione delle sostanze

 

Nella seguente tabella elenchiamo i valori della temperatura di ebollizione delle sostanze più ricorrenti negli esercizi e nelle applicazioni, riferiti alla pressione atmosferica (1 atm) ed espressi in gradi centigradi. Per ottenere i corrispondenti valori in kelvin è sufficiente applicare la formula di conversione kelvin celsius o, eventualmente, affidarsi al convertitore di temperatura online.

 

 

Sostanza Temperatura di ebollizione [ °C]
Acido nitrico 86
Acido solforico 332
Acqua di mare 103
Acqua distillata 100
Alcol etilico 78,3
Alluminio 2246
Ammoniaca -34
Azoto -196
Benzene 80
Cloro -34
Essenza di trementina 160
Etere solforico 35
Ferro 3000
Gallio 2237
Glicerina 290
Idrogeno -253
Mercurio 357
Metano -162
Olio di lino 316
Olio di oliva 300
Oro 2808
Ossigeno -183
Paraffina 300
Rame 2567
Sodio 900
Solfuro di carbonio 46,5
Tungsteno 5555

 

 


 

Qui abbiamo finito. :) Vi aspettiamo nella lezione successiva, dove spiegheremo il processo di condensazione nei minimi dettagli. Per tutto il resto, per approfondimenti e per reperire svariati esercizi svolti, vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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