Passaggi di stato

I passaggi di stato (o cambiamenti di fase) sono transizioni che consentono alla materia di passare da uno stato all'altro. In totale ci sono 6 passaggi tra gli stati solido, liquido e gassoso, più altri 2 passaggi tra lo stato gassoso e lo stato plasmatico.

 

Questa lezione si suddivide in due parti. Nella prima spiegheremo quali sono i passaggi tra gli stati fisici della materia, classificandoli in base alle transizioni che compiono e proponendo uno schema riassuntivo con i relativi nomi.

 

Nella seconda parte ci concentreremo sulle caratteristiche, sulle proprietà fisiche e sulle cause che accomunano i vari passaggi di stato; infine, e solo allora, passeremo ad analizzare la questione da un punto di vista termodinamico. In particolare risolveremo un esercizio per mostrare quale relazione sussiste tra le variazioni di temperatura, il calore specifico, quello latente e i cambiamenti di fase.

 
 
 

Passaggi di stato della materia

 

Dopo aver classificato i quattro stati della materia vogliamo studiare i modi con cui le sostanze modificano il proprio stato, vale a dire i passaggi di stato della materia.

 

Gli stati della materia sono 4: solido, liquido, gassoso e plasmatico. Nonostante lo stato di plasma sia il più diffuso dei quattro nell'Universo, sin da bambini siamo abituati a considerare i primi tre stati della materia perché sono quelli con cui abbiamo un'esperienza diretta nella nostra vita quotidiana.

 

Partiamo dalla definizione: ogni volta che un corpo muta il proprio stato diciamo che si manifesta un passaggio di stato, detto anche cambiamento di fase. Gli esempi sono tanti: il ghiaccio che fonde, l'acqua che evapora, un pezzo di metallo solido che diventa liquido, ecc...

 

Bisogna innanzitutto imparare la terminologia corretta: ogni passaggio di stato ha infatti un proprio nome preciso.

 

Quali sono i passaggi di stato e come si chiamano

 

Consideriamo gli stati della materia nell'ordine in cui li abbiamo scritti:

 

Stato solido - Stato liquido - Stato gassoso - Plasma

 

I passaggi di stato sono consentiti da ciascuno dei quattro stati di aggregazione al precedente/successivo, nell'ordine con cui si presentano

 

Stato solido ↔ Stato liquido ↔ Stato gassoso ↔ Plasma

 

Oltre a questi esistono altri due passaggi di stato: dallo stato solido allo stato gassoso e viceversa, saltando in entrambi i casi lo stato liquido. In tutto i passaggi di stato consentiti sono 8.

 

Riguardo ai nomi dei passaggi di stato, chiamiamo:

 

- fusione da solido a liquido | solidificazione da liquido a solido

 

- evaporazione (o vaporizzazione) da liquido a gassoso | condensazione (o liquefazione) da gassoso a liquido

 

- sublimazione da solido a gassoso | brinamento (o deposizione) da gassoso a solido

 

- ionizzazione da gassoso a plasmatico | deionizzazione da plasmatico a gassoso

 

Qui di seguito (e nelle lezioni successive) ci concentreremo sui passaggi di stato tra gli stati solido, liquido e gassoso; non ci soffermeremo sul passaggio da gas a plasma perché l'argomento è piuttosto avanzato e preferiamo non occuparcene in questa sede.

 

Nel seguente diagramma vi proponiamo uno schema riassuntivo sui passaggi di stato

 

 

Passaggi di stato

Schema dei passaggi di stato.

 

Come avvengono i passaggi di stato

 

Analizziamo le proprietà fisiche dei passaggi di stato e le condizioni che li caratterizzano. Per far sì che possa avvenire un passaggio di stato, qualunque esso sia, è necessario che al corpo venga fornito o sottratto calore, altrimenti non accade nulla. La caratteristica fondamentale però è che, nonostante lo scambio di calore, la temperatura del corpo rimane costante nel corso dell'intero processo.

 

Consideriamo ad esempio i passaggi di stato dell'acqua. Quando l'acqua bolle si verifica il processo di evaporazione, e fino a che l'acqua liquida non si è completamente trasformata in vapore, la sua temperatura rimane fissa a 100 °C. È poi possibile raccogliere tutto il vapore prodotto e riscaldarlo per portarlo a temperature superiori, ma durante il passaggio di stato la temperatura resta costante.

 

Perché la temperatura non cambia? Pensiamo per esempio ad u pezzo di ghiaccio che vogliamo fondere e trasformare in acqua liquida. Nel ghiaccio le molecole dell'acqua si trovano in posizioni pressoché fisse, mantenendo costanti le distanze reciproche. Quello che possono fare è oscillare attorno alla loro posizione; quando si fornisce calore (e quindi energia) al ghiaccio, le molecole cominciano ad agitarsi e a oscillare con intensità via via maggiore.

 

Il moto di agitazione delle molecole può diventare talmente intenso al punto che le forze di legame tra un molecola e quelle adiacenti non sono sufficientemente forti da trattenerla nella propria posizione. I legami che rendono l'acqua solida si rompono, e le molecole diventano libere di muoversi le une rispetto alle altre incrementando le loro distanze reciproche: l'acqua è diventata liquida. Ecco allora che l'energia che abbiamo fornito non è servita ad aumentare la temperatura, bensì a rompere i legami molecolari.

 

Proviamo a rappresentare su un piano cartesiano la temperatura in funzione del calore fornito all'acqua.

 

 

Temperatura nei passaggi di stato

Grafico della temperatura
in funzione del calore fornito all'acqua.

 

 

Come vedete, quando aumenta il calore fornito la temperatura aumenta linearmente, ma esistono dei tratti in cui il grafico si appiattisce: in questi tratti sta avvenendo un passaggio di stato in cui si continua a fornire calore, ma la temperatura non cambia.

 

Il grafico che abbiamo rappresentato riguarda l'acqua (che fonde a 0 °C ed evapora a 100 °C), ma vale un discorso del tutto analogo per le altre sostanze.

 

Esempio numerico sui passaggi di stato

 

In riferimento al grafico proviamo a calcolare quanto calore è necessario fornire a 100 grammi di ghiaccio inizialmente a -20 °C per ottenere la medesima quantità di vapore a 130 °C.

 

Svolgimento: bisogna innanzitutto accorgersi che da -20 °C a 130 °C ci sono due passaggi di stato:

 

- il primo a 0 °C (fusione), in cui il ghiaccio diventa acqua liquida;

 

- il secondo a 100 °C (evaporazione), in cui l'acqua liquida diventa vapore acqueo.

 

Per il calcolo del calore bisogna dunque procedere in più passaggi e applicare di volta in volta le formule per il calore specifico e per il calore latente.

 

Prima di tutto calcoliamo la quantità di calore per portare il ghiaccio da -20 °C a 0 °C, tenendo a mente che il calore specifico del ghiaccio è c_{g}=2090\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}:

 

Q_1=mc_g\Delta T=(0,1\ kg)\cdot \left(2090\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot \cdot{K}}\right)\cdot(20\mbox{ K})=4180\mbox{ J}

 

A 0 °C il ghiaccio fonde e, per fondere completamente, necessita di un calore calcolabile con la formula del calore latente (calore latente di fusione dell'acqua L_{f,h2O}=3,34\cdot 10^5\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}):

 

Q_2=mL_{f,H2O}=(0,1\mbox{ kg})\cdot \left(3,34 \cdot 10^5\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}\right)=33400\mbox{ J}

 

Ora abbiamo acqua liquida a 0 °C e possiamo riscaldarla fino a 100 °C (calore specifico dell'acqua c_{H2O}=4186\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}):

 

Q_3=mc_a\Delta T=(0,1\mbox{ kg})\cdot\left(4186\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{ K}}\right) \cdot (100\mbox{ K})=41860\mbox{ J}

 

Arrivati a 100 °C si ha evaporazione (calore latente di evaporazione L_e=2,26\cdot 10^6\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}) e per trasformare tutta l'acqua in vapore abbiamo bisogno di fornire un calore pari a:

 

Q_4=mL_e=(0,1\mbox{ kg})\cdot\left(2,26\cdot 10^6\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}}\right)=226000\mbox{ J}

 

Abbiamo così 100 grammi di vapore alla temperatura di 100 °C, e possiamo riscaldarla fino a 130 °C (calore specifico del vapore acqueo c_v=1940\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{ K}}):

 

Q_5=mc_v\Delta T=(0,1\mbox{ kg})\cdot \left(1940\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}}\right)\cdot (30\mbox{ K})=5820\mbox{ J}

 

Il calore totale è la somma di tutti i calori calcolati:

 

Q=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5=311260\mbox{ J}

 

In conclusione, quando bisogna calcolare il calore necessario per far sì che un corpo cambi la propria temperatura da un certo valore iniziale ad uno finale, bisogna sempre chiedersi se tra le due temperature si verifichino dei passaggio di stato. In caso affermativo bisogna seguire il procedimento presentato nell'esempio e ricorrere opportunamente alle formule per il calore specifico e per il calore latente.

 

 


 

Nella lezione studieremo nel dettaglio i vari passaggi di stato, a partire dalla fusione. Come di consueto invitiamo chi è in cerca di esercizi svolti di usare la barra di ricerca interna: qui su YM ci sono migliaia di esercizi risolti e spiegati nel dettaglio. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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