Fusione, temperatura di fusione e punto di fusione

La fusione in Fisica è il cambiamento di fase mediante cui le sostanze passano dallo stato solido allo stato liquido. Ogni sostanza è soggetta al processo di fusione a determinate coppie di valori di pressione e temperatura, ciascuna delle quali è detta punto di fusione.

 

Nelle lezioni sugli stati della materia e sui passaggi di stato abbiamo presentato una panoramica dei possibili cambiamenti di fase delle sostanze, descrivendo i principi fisici sia dal punto di vista microscopico che in un'ottica termodinamica.

 

Il primo processo che vogliamo studiare nel dettaglio è quello di fusione, che permette di passare dallo stato solido allo stato liquido. Qui di seguito analizzeremo nel dettaglio le cause della fusione di una sostanza e ci concentreremo sulle condizioni termodinamiche che la provocano, con particolare riferimento alla temperatura di fusione e al punto di fusione.

 

Concluderemo infine la lezione riportando una tabella con i valori della temperatura di fusione delle sostanze che ricorrono più spesso negli esercizi e nelle applicazioni.

 
 
 

Fusione: passaggio di stato da solido a liquido

 

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

 

La causa di tale trasformazione è una variazione di temperaura o di pressione; normalmente, se consideriamo corpi che si trovano a un determinato valore di pressione (come ad esempio la pressione atmosferica), la fusione avviene soltanto al raggiungimento di una specifica temperatura, detta per l'appunto temperatura di fusione.

 

L’esempio più semplice e facilmente visualizzabile è la fusione del ghiaccio: se un cubetto di ghiaccio assorbe calore, a un certo punto comincia a fondere creando attorno a sé un piccola pozza d’acqua liquida, che tenderà ad aumentare a mano a mano che il ghiaccio prosegue nel passaggio da solido a liquido.

 

Attenti alla terminologia: da un punto di vista scientifico, è più corretto dire che il ghiaccio fonde piuttosto che il ghiaccio si scioglie, visto che il passaggio di stato prende il nome di fusione e non di scioglimento.

 

Cause microscopiche della fusione

 

Perché il ghiaccio fonde? Le cause del processo di fusione vanno ricercate nella natura microscopica delle sostanze. Nei solidi ogni costituente (atomo o molecola) mantiene la propria posizione fissa e una distanza reciproca costante all’interno del reticolo cristallino, che conferisce rigidità e solidità al corpo.

 

Ogni costituente può solamente oscillare attorno alla propria posizione di equilibrio, aumentando così il proprio moto vibrazionale. Quest’ultimo è strettamente legato alla temperatura del corpo e in particolare, se la temperatura aumenta, aumenta anche il moto vibrazionale dei costituenti del solido.

 

Si può arrivare alla situazione in cui il corpo raggiunge una temperatura (precisamente la temperatura di fusione) tale che il moto vibrazionale aumenta fino a rompere i legami che mantengono fissi al proprio posto i costituenti del corpo. Se i legami si spezzano, il reticolo cristallino non mantiene più la propria struttura rigida e i costituenti cominciano ad essere liberi di muoversi.

 

In questo modo il corpo perde le proprie caratteristiche di solido, con un volume e una forma propri, per assumere quelle di un liquido, con un volume proprio e una forma variabile. In particolare i liquidi hanno la tendenza ad assumere la forma del proprio contenitore.

 

Questo è quello che succede ad esempio al cubetto di ghiaccio immerso in un cocktail: raggiunta una certa temperatura, le molecole d’acqua si agitano al punto che i rigidi legami del reticolo del ghiaccio si rompono e le stesse molecole d’acqua diventano libere di muoversi e di scorrere le une sulle altre.

 

Questo vale naturalmente non solo per il ghiaccio ma anche per qualunque altro solido, come ad esempio i metalli. Per quest’ultimi la fusione infatti rappresenta un aspetto importante della loro lavorazione perché, una volta fusi, è possibile rimodellarli e donare loro una nuova forma che poi manterranno una volta raffreddati e tornati allo stato solido.

 

Temperatura e calore nel processo di fusione

 

Come per ogni passaggio di stato, anche il processo di fusione genera una discontinuità nella relazione tra la quantità di calore scambiato e la variazione di temperatura. La formula del calore specifico in particolare non è idonea per descrivere ciò che succede in un processo di fusione e, come già sappiamo, viene rimpiazzata dalla formula del calore latente.

 

Esattamente come accade in qualsiasi cambiamento di fase, quando viene ceduto calore a un materiale, nel momento in cui fonde la sua temperatura non varia, ma si mantiene costante. Il calore fornito non serve dunque ad aumentare la temperatura del corpo, ma piuttosto a rompere i legami tra i costituenti del reticolo cristallino permettendo così il passaggio dallo stato solido allo stato liquido.

 

Temperatura di fusione e punto di fusione

 

Come già detto, ciò che determina il passaggio dallo stato solido a quello liquido è il raggiungimento del corpo della temperatura di fusione, che dipende dal tipo di materiale di cui è fatto il corpo.

 

In realtà possiamo e dobbiamo essere più precisi. La quasi totalità dei fenomeni termodinamici non dipende esclusivamente dalla temperatura, bensì è legata a una coppia di condizioni termodinamiche: temperatura e pressione.

 

Consideriamo un processo di fusione che avviene a pressione costante (ossia in condizioni isobare). Ad esempio, il ghiaccio comincia a fondere quando raggiunge la temperatura di 0 °C (273,15 K), i metalli fondono invece a temperature molto più alte (superiori ai 1000 °C). Queste affermazioni sono vere se consideriamo una pressione pari alla pressione atmosferica (1 atm = 101325 Pa); a pressioni diverse, cambia anche il valore della temperatura di fusione.

 

Ancor più precisamente, definiamo punto di fusione una qualsiasi coppia di valori temperatura-pressione in corrispondenza delle quali avviene il processo di fusione.

 

Ogni sostanza è caratterizzata da un insieme di diversi punti di fusione, poiché considerando alcuni valori (non tutti) di una delle due variabili termodinamiche, può esistere un corrispondente valore dell'altra con cui realizza un punto di fusione

 

Non vogliamo mettere troppa carne al fuoco perché nel seguito avremo modo di approfondire l'interazione tra temperatura e pressione nei fenomeni termodinamici. Per il momento ci basti ricordare che:

 

1) nel processo di fusione la temperatura del corpo rimane costante nonostante gli venga fornito calore;

 

2) quando si parla di temperatura di fusione si considera implicitamente il valore di pressione atmosferica (1 atm);

 

3) è possibile rappresentare l'insieme dei punti di fusione di una sostanza mediante un diagramma di fase, ossia un grafico nel piano cartesiano OTP che riassume i valori delle coppie (T,P) in cui si manifestano i vari passaggi di stato. L'insieme dei punti di fusione viene detto curva di fusione.

 

 

Punto di fusione nel diagramma di fase

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

 

 

Per rappresentare i diagrammi di fase di altre sostanze vi consigliamo di dare un'occhiata al tool per i diagrammi di fase online.

 

Legge fisica e formula per il processo di fusione

 

La legge fisica della fusione è quella tipica dei passaggi di stato, vale a dire la formula che coinvolge il calore latente

 

 Q = m L_{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 1 chilogrammo di una certa sostanza affinché possa fondere completamente.

 

È importante specificare che L_f è il calore latente di fusione perché il calore latente, per la stessa sostanza, cambia valore a seconda del tipo di passaggio di stato che si considera. Il valore di L_f più comune che compare spesso negli esercizi è quello dell’acqua e vale

 

L_{f,H2O}=3,34\cdot 10^5\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}

 

Questo vuol dire che 1 chilogrammo di ghiaccio ha bisogno di un calore pari a 3,34 · 105 joule per fondere completamente.

 

Esempio

 

In un esercizio potremmo leggere la seguente domanda: sono sufficienti 5,5·105 J di energia per fondere completamente 2 kg di ghiaccio che si trova a 0 °C?

 

Per rispondere calcoliamo la quantità di calore che il ghiaccio deve assorbire per fondere completamente:

 

Q=mL_f=(2 \mbox{ kg})\cdot \left(3,34\cdot 10^5\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}\right)=6,68\cdot 10^5\mbox{ J}

 

Confrontando questo risultato con il dato del problema, si vede subito che 5,5·105 J di calore non sono sufficienti per la fusione completa del ghiaccio, che in parte resterà allo stato solido.

 

Tabella delle temperature di fusione delle sostanze

 

Nella seguente tabella riportiamo i valori della temperatura di fusione delle sostanze e degli elementi chimici più ricorrenti negli esercizi e nelle applicazioni. In ciascun caso i valori si riferiscono alla pressione atmosferica (1 atm).

 

Per ricavare le corrispondenti temperature in kelvin è sufficiente ricordare la relazione kelvin celsius, ed eventualmente potete servirvi del convertitore di temperatura online.

 

 

Sostanza

Temperatura di fusione [°C]

Acciaio

1370 ÷ 1536

Acqua

0,00

Alluminio

660,32

Argento

961

Argon

−189,3

Arsenico

814

Azoto

−210

Bario

710

Berillio

1287

Bismuto

271

Boro

2300

Bromo

−7,25

Cadmio

320,9

Carbonio

3499

Cobalto

1495

Cloro

−101

Cromo

1907

Elio

−269,7

Etere

−116

Ferro

1538

Fluoro

−219,6

Fosforo

44,1

Idrogeno

−259,14

Iodio

113,6

Iridio

2443

Litio

180,54

Mercurio

−38,85

Naftalina

80

Magnesio

650

Molibdeno

2622

Neon

−248,6

Nichel

1455

Oro

1064,8

Ossigeno

−218,4

Palladio

1554,9

Paraffina

54

Piombo

327,4

Platino

1773

Plutonio

640

Polonio

254

Radio

700

Radon

−71

Rame

1083

Selenio

217

Silicio

1410

Stagno

232

Sodio

97,82

Titanio

1670

Tungsteno

3422

Uranio

1132

Xeno

−111,9

Zinco

420

Zolfo

182

 

 


 

Nella lezione successiva studieremo il processo inverso della fusione: la solidificazione. Nel frattempo se siete in cerca di esercizi svolti potete usare la barra di ricerca interna, perché qui su YM ci sono migliaia di esercizi risolti e spiegati nel dettaglio. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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