Tensione di vapore saturo

La tensione di vapore saturo, detta più brevemente tensione di vapore o pressione di vapore, è un valore di pressione in concomitanza del quale si genera un equilibrio dinamico tra vapore e liquido. La tensione di vapore è funzione della temperatura del liquido; quando essa pareggia la pressione esterna, ha inizio il processo di ebollizione.

 

Dopo aver studiato i fenomeni di evaporazione e di ebollizione, e averne visto le sostanziali differenze, vogliamo approfondire l'argomento analizzando il processo di vaporizzazione dei liquidi più nel dettaglio, con particolare riferimento al legame tra la temperatura di ebollizione e la pressione esterna.

 

A tal proposito vedremo in cosa consiste la tensione di vapore saturo e come essa determina l'ebollizione dei liquidi; ne forniremo una delle principali formule e concluderemo con una tabella di valori per le sostanze più ricorrenti nelle applicazioni.

 

Tensione di vapore

 

Immaginiamo di chiudere un liquido in un contenitore in cui è stato fatto precedentemente il vuoto. Al di sopra della superficie libera del liquido dunque non vi è aria nè alcun altro tipo di gas, e il liquido comincia ad evaporare.

 

Alcune molecole della superficie del liquido, e in particolare quelle dispongono di un valore di energia cinetica sufficiente, si allontanano da esso perché sono in grado di rompere i legami intermolecolari che le legano alle altre, e vanno a costituire un gas che occupa il volume libero del contenitore al di sopra del liquido.

 

Il processo di evaporazione all'inizio è piuttosto veloce, ma mano a mano che il gas diventa sempre più denso il processo rallenta. A fianco alle molecole del liquido che evaporano infatti vi sono quelle del gas che condensano. Alcune molecole del gas appena costituitosi possono avere un'energia cinetica al di sotto della media, così da condensare e tornare a far parte del liquido da cui si erano in precedenza allontanate.

 

A un certo punto si instaurerà uno stato di equilibrio e mediamente a una molecola che evapora ne corrisponderà una che condensa. Tale stato viene definito di equilibrio dinamico perché lo scambio di molecole tra liquido e vapore avviene in continuazione.

 

Definizione e proprietà della tensione di vapore

 

Una volta raggiunto l'equilibrio dinamico, il vapore avrà un determinato valore di pressione: tale pressione viene chiamata tensione di vapore saturo o anche pressione di vapore saturo, e si indica solitamente con il simbolo p^{\circ}. Possiamo dunque affermare che la tensione di vapore saturo è il valore della pressione del vapore in equilibrio con il suo liquido.

 

Normalmente, per questioni di brevità, si parla di tensione di vapore, omettendo l'aggettivo saturo ed è così che faremo anche noi nel prosieguo della lezione. Vediamone le principali proprietà.

 

 

Tensione di vapore come funzione della temperatura

 

La tensione di vapore è una funzione della temperatura; ciò significa che essa varia al variare della temperatura. Dunque, se considerassimo un liquido a 20 °C rileveremmo un valore di tensione di vapore diverso da quello che riscontreremmo per il medesimo liquido a 80 °C.

 

p^{\circ}=p^{\circ}(T)

 

Per completezza, è bene sapere che esistono diverse formule della tensione di vapore che sono state determinate empiricamente. La maggior parte di esse presenta espressioni molto elaborate e tali da richiedere una contestualizzazione piuttosto impegnativa. Una delle più generali e abbordabili è data dall'equazione di Antoine:

 

\ln(p^{\circ})=A-\frac{B}{C+T}

 

dove P^{\circ} è da intendersi in kPa, la temperatura T in kelvin e A,B,C sono costanti che dipendono dal liquido e che vengono determinate sperimentalmente.

 

 

Tensione di vapore e temperatura di ebollizione

 

La tensione di vapore gioca un ruolo importante nei cambiamenti di stato. Abbiamo visto che un liquido può passare allo stato gassoso tramite due processi, evaporazione ed ebollizione, mediante i quali si manifesta il fenomeno di vaporizzazione.

 

Cos'è che fa sì che si passi dallo stato liquido a quello gassoso? Perché l'acqua, se scaldata, a un certo punto bolle? E perché nell'esperienza comune rileviamo che l'acqua evapora a qualsiasi temperatura compresa tra quella di congelamento e quella di ebollizione, ma bolle proprio a 100 °C e non a una diversa temperatura?

 

Tutti i fenomeni di passaggio dallo stato liquido a quello gassoso sono legati alla tensione di vapore. Consideriamo ad esempio l'acqua in condizioni di pressione atmosferica. Quando la scaldiamo, essa evapora sempre più velocemente e vistosamente man mano che la sua temperatura aumenta. A un certo punto comincia a bollire e la massa d'acqua si muove in modo tumultuoso.

 

Il fenomeno dell'ebollizione inizia nel momento in cui la tensione di vapore eguaglia la pressione esterna, in questo caso la normale pressione atmosferica. Siccome la tensione di vapore dipende dalla temperatura, è necessario che l'acqua raggiunga il giusto valore di temperatura affinché la tensione di vapore possa pareggiare la pressione atmosferica, e questo si verifica quando l'acqua ha raggiunto i 100 °C.

 

In alta montagna, dove la pressione atmosferica è minore, la tensione di vapore riesce a uguagliare la pressione atmosferica quando l'acqua si trova ad una temperatura inferiore a 100 °C.

 

Nelle pentole a pressione invece si viene a creare una pressione maggiore di quella atmosferica, per cui l'acqua deve raggiungere temperature superiori ai 100 °C affinché la tensione di vapore raggiunga il valore di pressione all'interno della pentola e l'acqua possa bollire.

 

Tabella dei valori della tensione di vapore

 

Nella seguente tabella sono elencati i valori di pressione di vapore in multipli del pascal e in bar per alcune delle sostanze più ricorrenti nelle applicazioni, con i corrispondenti valori di temperatura in °C.

 

 

SostanzaTensione di vaporeTemperatura (°C)
Acetaldeide98.7 kPa0.987 bar20
Acqua2.3 kPa0.023 bar20
Butano220 kPa2.2 bar20
Difluoruro di xeno600 Pa0.006 bar25
Diossido di carbonio5.7 MPa57 bar20
Etanolo5.83 kPa0.0583 bar20
Formaldeide435.7 kPa4.357 bar20
Freon 11337.9 kPa0.379 bar20
Glicole etilenico500 Pa0.005 bar20
Metilisobutilchetone2.66 kPa0.0266 bar25
Propano997.8 kPa9.978 bar26.85
Propanolo2.4 kPa0.024 bar20
Protossido di azoto5.660 MPa56.60 bar25
Solfuro di carbonile1.255 MPa12.55 bar25
Tungsteno100 Pa0.001 bar3203

 

 


 

A partire dalla lezione successiva riprendiamo la descrizione dei singoli passaggi di stato: ci occuperemo del fenomeno di condensazione, vale a dire il cambiamento di fase dallo stato gassoso allo stato liquido.

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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