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Calore e termodinamica

La liquefazione e la condensazione

Il passaggio di stato da aerifome a liquido viene detto liquefazione quando si tratta di un gas e condensazione quando si tratta di un vapore. Liquefazione e condensazione possono avvenire per abbassamento della temperatura della sostanza aeriforme, a pressione costante, o per compressione, a temperatura costante.

Se si diminuisce la temperatura di un aeriforme, sottraendo calore alla sostanza, si raggiunge una temperatura (pari alla temperatura di ebollizione della medesima sostanza allo stato liquido), caratteristica di ogni aeriforme, alla quale ha inizio il processo di liquefazione o di condensazione. Durante tutto il processo, ovvero fino a che tutto l'aeriforme non si è trasformato in liquido, la temperatura rimane costante. Il calore ceduto all'ambiente durante la liquefazione o la condensazione (da una massa unitaria di sostanza) è detto calore latente di liquefazione o di condensazione, ed è pari al calore latente di vaporizzazione (immagazzinato nella sostanza nel processo di vaporizzazione).

La pressione influenza il processo di condensazione: si è visto che, quando in un recipiente aperto la tensione di vapore del liquido in esso contenuto eguaglia la pressione atmosferica, il liquido bolle. Analogamente, se un vapore non saturo a una data temperatura viene portato a una temperatura alla quale la tensione di vapore coincide con la pressione del vapore non saturo alla temperatura precedente, il vapore condensa. In generale, il vapore condensa più facilmente su superfici fredde, come accade per esempio al vapor d'acqua in inverno sui vetri delle finestre di un ambiente riscaldato, la cui superficie è a contatto con l'esterno, o su un bicchiere che contiene ghiaccio in un giorno caldo e umido. La condensazione di un vapore si può ottenere anche comprimendolo fino a che la sua pressione non raggiunga la tensione di vapore a quella data temperatura.

La distinzione tra gas e vapori è data però dal fatto che per ogni aeriforme esiste una temperatura, detta temperatura critica, al di sopra della quale la sostanza non può essere liquefatta né condensata, sia che si tratti di un gas sia che si tratti di un vapore, nemmeno se sottoposta a fortissime pressioni. Nel caso dei vapori tale temperatura è molto alta (per il vapor d'acqua è, per esempio, di 365 °C) e quindi in quasi tutte le condizioni è possibile condensarli per compressione. I gas, invece, hanno temperature critiche anche molto basse (−240 °C per l'idrogeno, v. tab. 12.4) e risulta impossibile liquefarli per compressione. Per questo motivo, a temperatura ambiente i gas si trovano allo stato aeriforme, mentre i vapori si trovano allo stato liquido.

Tab. 12.4: Temperatura critica di alcuni gas

Temperatura critica di alcuni gas
GAS TEMPERATURA CRITICA
°C K
azoto −147,1 126,1
elio −267,9 5,3
idrogeno −239,9 33,3
neon −228,7 44,5
ossigeno −118,7 154,5

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