Solidificazione

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La solidificazione in Fisica è il cambiamento di fase che consente alle sostanze di passare dallo stato liquido allo stato solido. Il processo di solidificazione si verifica a specifiche coppie di valori di temperatura e di pressione che dipendono dalla sostanza considerata.

 

Proseguiamo lo studio degli stati della materia e dei passaggi di stato: dopo aver spiegato cosa in cosa consiste la fusione, possiamo occuparci del cambiamento di fase inverso: la solidificazione.

 

Qui di seguito studieremo nel dettaglio il passaggio dallo stato liquido a quello solido, analizzando il processo sia da un punto di vista microscopico che in un'ottica termodinamica, e ci soffermeremo sui concetti di temperatura di solidificazione e di punto di solidificazione.

 
 
 

Solidificazione: passaggio di stato da liquido a solido

 

La solidificazione è il passaggio di stato che trasforma un liquido in un solido ed è il processo inverso della fusione.

 

Normalmente tale passaggio avviene al raggiungimento della temperatura di fusione, ossia della temperatura che un solido deve raggiungere affinché avvenga il processo inverso della solidificazione. In generale non si parla quindi di temperatura di solidificazione perché di fatto essa coincide con quella di fusione.

 

In realtà tale cambiamento di fase può manifestarsi anche a seguito di una determinata variazione di pressione, oltre che di temperatura: ma se si considera un determinato valore di pressione, come ad esempio la pressione atmosferica, allora la solidificazione si verifica a una specifica temperatura che dipende dalla sostanza considerata.

 

Cause microscopiche della solidificazione

 

Quando un solido fonde, i legami tra i suoi costituenti cominciano a rompersi; al contrario, un liquido solidifica quando tali legami cominciamo a costruirsi.

 

Gli atomi o le molecole di un liquido sono poco legate tra di loro e sono libere di muoversi all'interno del corpo, scorrendo le une sulle altre. Quando la temperatura diminuisce e viene raggiunta la temperatura di fusione per il materiale considerato, allora i legami tra i costituenti cominciano a rinsaldarsi e il moto disordinato delle molecole del liquido tende a stabilizzarsi. Ogni costituente assume dunque una posizione fissa all'interno del corpo solido che si sta formando, creando una struttura cristallina rigida in cui atomi e molecole occupano posizioni precise.

 

A seguito del processo di solidificazione i legami diventano tali da non permettere a nessun costituente del corpo di muoversi liberamente: ognuno di loro mantiene un distanza reciproca costante, l'esatto contrario di quanto avviene nel processo di fusione.

 

Temperatura e calore nel processo di solidificazione

 

L'acqua fornisce il più chiaro esempio di solidificazione. Quando l'acqua liquida viene raffreddata fino al raggiungimento della sua temperatura di fusione, essa comincia a solidificare e le sue molecole iniziano a disporsi in modo ordinato formando il reticolo cristallino del ghiaccio.

 

Trattandosi di un passaggio di stato, durante l'intero processo di solidificazione la temperatura si mantiene costante. Il calore che viene sottratto al liquido non comporta una variazione della temperatura del corpo, e la corrispondente energia viene spesa per rallentare il moto di agitazione delle molecole fino alla formazione del reticolo cristallino.

 

Temperatura di solidificazione e punto di solidificazione

 

Sappiamo già che i cambiamenti di fase si verificano in particolari condizioni di temperatura e di pressione, e che considerando un valore di pressione costante (condizioni isobare) è possibile definire una precisa temperatura di solidificazione, più propriamente detta temperatura di fusione, per ciascuna sostanza.

 

Solitamente quando si esprimono le temperature di fusione dei materiali si fa riferimento al valore di pressione atmosferica (1 atm = 101325 Pa). Ad esempio, per tale valore, sappiamo che l'acqua ghiaccia a 0 °C (273,15 K). Se però ci dovessimo trovare a pressioni diverse, allora anche la temperatura di fusione cambierebbe.

 

Per questo motivo ha senso definire il concetto di punto di solidificazione, più propriamente detto punto di fusione, come qualsiasi coppia di valori temperatura-pressione che permette a una specifica sostanza di passare dallo stato liquido a quello solido (e viceversa).

 

In sintesi:

 

1) nel processo di solidificazione la temperatura di un corpo rimane costante nonostante esso ceda calore;

 

2) si parla di temperatura di fusione e non di temperatura di solidificazione per brevità, perché i due passaggi di stato sono uno l'inverso dell'altro. Tale valore di temperatura dipende dalla sostanza e si riferisce implicitamente alla pressione atmosferica (1 atm);

 

3) al variare della pressione varia la temperatura a cui una determinata sostanza si solidifica, e viceversa. Ogni coppia di valori (T,P) per cui uno specifico materiale si solidifica viene detta punto di fusione della sostanza. L'insieme dei punti di fusione di una sostanza viene detto curva di fusione e può essere rappresentato nel piano cartesiano OTP in un diagramma di fase, in cui vengono riportate tutte le coppie di valori (T,P) che corrispondono ai vari stati di aggregazione per la sostanza considerata.

 

 

Punto di fusione nel diagramma di fase

Diagramma di fase dell'acqua e curva dei punti di fusione.

 

 

In riferimento alla figura, la solidificazione dell'acqua avviene nella transizione dalla zona dello stato liquido alla zona dello stato solido. Se siete interessati al grafico per le altre sostanze vi rimandiamo al tool per i diagrammi di fase online.

 

Legge fisica e formula per il processo di solidificazione

 

La legge che si può applicare per il processo di solidificazione è la stessa che si usa per la fusione, vale a dire la formula del calore latente

 

Q=mL_f

 

dove Q è il calore che il corpo deve assorbire per fondere, m è la sua massa e L_f è il calore latente di fusione, che assume valori diversi a seconda del materiale e che rappresenta la quantità di energia che è necessario fornire a un chilogrammo di una certa sostanza affinché possa fondere completamente.

 

Nel caso della solidificazione, il calore latente di fusione assume il significato di quantità di calore da sottrarre al liquido affinché possa solidificare completamente. In qualunque verso si consideri il processo (solido → liquido o liquido → solido), il calore latente di fusione per una certa sostanza è sempre lo stesso.

 

Ad esempio, se per 1 kg di ghiaccio sono necessari 3,34 · 105 J di energia per la sua completa fusione, a 1 kg di acqua liquida bisogna sottrarre la stessa identica quantità di energia affinché si trasformi interamente in ghiaccio.

 

Esempio

 

Calcoliamo quanto calore bisogna sottrarre a 3 kg di mercurio per fare in modo che solidifichi. Il mercurio si trova già alla sua temperatura di fusione pari a -39 °C (è per via di questo valore che il mercurio a temperatura ambiente si trova in forma liquida) e il suo calore latente di fusione vale L_{f,Hg}=11\cdot 10^3\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}.

 

Q=mL_f=(3\mbox{ kg})\cdot \left(11\cdot 10^3\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}\right)=33\cdot 10^3\mbox{ J}=33\mbox{ kJ}

 

Se venisse sottratta al mercurio una quantità di calore inferiore a quella appena calcolata, allora solidificherebbe soltanto in parte; al contrario, se venisse sottratta una quantità di energia maggiore di quella calcolata, allora non solo il mercurio solidificherebbe completamente ma il solido venutosi a creare si raffredderebbe ulteriormente raggiungendo temperature inferiori rispetto alla temperatura di fusione.

 

Tabella delle temperature di solidificazione delle sostanze

 

Poiché la solidificazione è il cambiamento di fase inverso rispetto alla fusione, i valori della temperatura di solidificazione dei vari materiali sono esattamente gli stessi. Per la tabella vi rimandiamo quindi alla lezione precedente. ;)

 

 


 

Nella lezione successiva studieremo il cambiamento di fase dallo stato liquido allo stato gassoso: l'evaporazione. Come al solito, se siete in cerca di esercizi svolti, vi invitiamo a usare la barra di ricerca interna. Qui su YM ci sono migliaia di esercizi risolti e spiegati dallo Staff. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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