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Calore e termodinamica

La fusione e la solidificazione

La fusione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido. Per trasformare un solido in liquido è necessario fornire calore alla sostanza, mantenendo costante la sua pressione; quando il solido raggiunge una determinata temperatura, ha inizio il processo di fusione. Per trasformare l'intera massa di solido in liquido è necessario continuare a fornire calore, anche se la temperatura della sostanza rimane costante. Il calore fornito, dunque, non contribuisce ad aumentare la temperatura del sistema, ma viene utilizzato per ridurre le forze di coesione tra le particelle della sostanza, trasformandola in liquido. Tale quantità di calore, detta calore latente di fusione, è quella che occorre fornire all'unità di massa di un solido per trasformarlo completamente in liquido. La temperatura alla quale ha inizio il processo di fusione è detta temperatura di fusione (o punto di fusione) e varia da sostanza a sostanza, a pressione costante (v. tab. 12.2). Per l'acqua, alla pressione atmosferica normale, la temperatura di fusione è di 0 °C (o 273 K) e il calore latente di fusione vale circa 334 · 103 J/kg (questo significa che per fondere un blocco di ghiaccio da 1 kg a 0 °C occorre fornirgli una quantità di calore pari a 334.000 J/kg).

Nel passaggio da solido a liquido di norma le sostanze si dilatano, cioè aumentano di volume: un innalzamento di pressione ostacola quindi il processo di fusione. L'acqua fa eccezione a questa regola: infatti, il ghiaccio fondendo diminuisce di volume e un aumento della pressione esterna, favorendone la contrazione, ne accelera il processo di fusione, che avviene quindi a temperature inferiori al punto di fusione del ghiaccio. Questo fenomeno è facilmente verificabile attraverso un esperimento: se si prende un blocco di ghiaccio e si preme sulla sua superficie con un fìlo metallico, la pressione esercitata dal filo, superiore a quella atmosferica, fa fondere il ghiaccio a temperature inferiori a 0 °C. Il filo però appare passare attraverso il ghiaccio, perché l'acqua che si forma dalla fusione, trovandosi a temperature inferiori a quella di fusione, e nuovamente sottoposta solo alla pressione atmosferica, si ritrasforma rapidamente in ghiaccio, ricostruendo il blocco originario.

Per la legge di conservazione dell'energia, il calore latente di fusione viene restituito all'ambiente circostante (dall'unità di massa della sostanza) durante il processo inverso alla fusione, cioè il passaggio dallo stato liquido allo stato solido, o solidificazione. Per solidificare un liquido occorre abbassare la sua temperatura fino alla temperatura di solidificazione (o punto di solidificazione), che coincide con la temperatura di fusione della sostanza, alla medesima pressione. Anche in questo caso la temperatura resta costante durante tutto il processo (fino a quando tutto il liquido si è trasformato in solido). Per una data sostanza, il calore latente di fusione e il calore latente di solidificazione dunque coincidono sempre, come anche la temperatura di fusione e la temperatura di solidificazione (purché la pressione rimanga costante). Variando la pressione esercitata sul liquido, varia il punto di solidificazione. L'acqua, sottoposta a pressioni superiori a quella atmosferica, ghiaccia a temperature inferiori a quella di solidificazione: per questo motivo una grande massa d'acqua, come per esempio un lago, ghiaccia solo in superficie ma resta liquida in profondità, anche a temperature inferiori a zero, perché la pressione esercitata sul fondo del lago è data dalla pressione atmosferica esterna più la pressione esercitata dal liquido sovrastante.

Tab. 12.1: I vari tipi di passaggi di stato

I vari tipi di passaggi di stato
DENOMINAZIONE DEFINIZIONE ED ESEMPI
fusione passaggio dallo stato solido allo stato liquido (fusione del ghiaccio o di un metallo)
solidificazione passaggio dallo stato liquido allo stato solido (congela-mento dell'acqua o solidificazione di un metallo)
evaporazione* passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme di vapore che avviene in un modo lento e tranquillo e interessa solo la superficie del liquido (evaporazione dell'acqua da panni umidi, dell'alcol a contatto con le mani)
ebollizione* passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme di vapore che avviene in modo tumultuoso e interessa tutta la massa liquida (ebollizione dell'acqua)
condensazione passaggio dallo stato aeriforme di vapore allo stato liquido (formazione di rugiada e di pioggia)
liquefazione passaggio dallo stato aeriforme di gas allo stato liquido (liquefazione dell'idrogeno)
sublimazione passaggio diretto dallo stato solido allo stato aeriforme di vapore e viceversa (sublimazione della naftalina)
* collettivamente denominati vaporizzazione

Tab. 12.2: Temperature di fusione di alcune sostanze e calori latenti di fusione a pressione normale

Temperature di fusione di alcune sostanze e calori latenti di fusione a pressione normale
SOSTANZA TEMPERATURA DI FUSIONE CALORE LATENTE
°C K ( · 106 J/kg)
elio −269,7 3,5 0,005
idrogeno −259,3 13,9 0,059
ossigeno −218,8 54,4 0,014
alcol etilico −114,0 159,2 0,105
acqua 0 273,15 0,012
mercurio −39,0 234,2 0,334
piombo 327,3 600,5 0,025
argento 960,8 1234 0,105

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