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Calore e termodinamica

Stati di aggregazione della materia e cambiamenti di stato

A seconda dell'intensità tra le forze di coesione tra le molecole , la materia può presentarsi in uno dei tre stati di aggregazione (o fasi): quello solido, quello liquido e quello aeriforme. Le sostanze nello stato solido sono caratterizzate da un volume e da una forma definiti; quelle nello stato liquido sono caratterizzate da un volume proprio, ma non da una forma propria; le sostanze nello stato aeriforme, infine, non possiedono né forma né volume propri e assumono quelli del contenitore. Liquidi e gas vengono nel loro insieme classificati come fluidi. Perché si verifichi un cambiamento di stato, cioè il passaggio di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro occorre modificare l'intensità delle forze di coesione tra le molecole delle sostanze, variando la loro energia cinetica.

Gli stati di aggregazione

La maggior parte delle sostanze esistenti in natura sono, a temperatura ordinaria, allo stato solido e in prevalenza le loro particelle costituenti (atomi o molecole) sono disposte nello spazio con precisa regolarità geometrica: sono, in altre parole, solidi cristallini. Esempi di solidi cristallini sono il diamante, lo zucchero e il ghiaccio. Una minoranza di sostanze presenta una struttura disordinata: queste sostanze sono dette solidi amorfi, o falsi solidi, in quanto la loro struttura è analoga a quella dei liquidi , tanto che potrebbero essere considerati dei liquidi ad alta viscosità. Un esempio di solido amorfo è il vetro. Un corpo solido può diventare liquido quando le forze di coesione tra le particelle che lo compongono vengono indebolite fino a rompere la struttura regolare che le lega insieme.

Le sostanze nello stato liquido sono caratterizzate da forze di coesione tra le particelle più deboli rispetto allo stato solido: le particelle non sono fisse in posizioni regolari, ma possiedono sufficiente energia cinetica perché possano muoversi con una certa libertà, scorrendo le une sulle altre.

Nelle sostanze nello stato aeriforme, infine, l'energia cinetica delle particelle prevale sulle forze di reciproca attrazione e di conseguenza queste tendono a occupare tutto lo spazio disponibile; per questo motivo gli aeriformi non possiedono forma né volume propri. Le sostanze nello stato aeriforme sono distinte in gas e vapori. Si dicono vapori quegli aeriformi che, a temperatura ambiente, si trovano allo stato liquido, mentre si dicono gas quegli aeriformi che si trovano normalmente allo stato aeriforme. Un vapore (per esempio, il vapor d'acqua) può essere portato allo stato liquido per semplice compressione, senza variarne la temperatura, mentre un gas (per esempio, l'idrogeno) può essere portato allo stato liquido per compressione solo se la sua temperatura viene abbassata al di sotto di un determinato valore, detto temperatura critica, che in certi casi è estremamente bassa.

I cambiamenti di stato

Al variare della temperatura e della pressione, ogni tipo di materia, cioè ogni sostanza, può passare da uno stato di aggregazione a un altro, cioè subire un cambiamento di stato. Un cambiamento di stato è sempre accompagnato da uno scambio di calore fra la sostanza interessata e l'ambiente circostante. In generale, fornendo calore a una sostanza si favorisce il passaggio da uno stato in cui le particelle sono associate nel modo più compatto (lo stato solido) a stati in cui sono associate in forma via via meno compatta (gli stati liquido e gassoso). Sottraendo calore avviene il cambiamento inverso.

Per quanto riguarda la pressione, essa agisce in maniera inversa alla temperatura: un aumento della pressione favorisce i passaggi dallo stato gassoso allo stato liquido o dallo stato liquido allo stato solido, mentre una sua diminuzione favorisce i passaggi inversi.

Tutti i cambiamenti di stato avvengono a temperature ben determinate, il cui valore dipende dalla pressione alla quale si opera (in genere si fa riferimento alla pressione atmosferica normale, pari a 1013,2 hPa). Finché tutta la massa della sostanza coinvolta nel cambiamento di stato non si è trasformata (per esempio, da solido a liquido o da liquido a gas), la sua temperatura si mantiene costante. Per esempio, quando l'acqua bolle e passa dallo stato liquido allo stato di vapore , nonostante si continui a fornirle energia come calore la sua temperatura non varia. Questa quantità di calore, che viene fornito a temperatura costante, viene immagazzinata nel vapore che si forma, che a sua volta lo restituirà all'ambiente circostante all'atto della trasformazione inversa, cioè della sua condensazione da vapore a liquido. Questo calore riferito all'unità di massa viene detto calore latente e, a seconda del passaggio di stato interessato, si parla di calore latente di fusione, calore latente di evaporazione, calore latente di ebollizione ecc. Ogni passaggio di stato è accompagnato quindi da assorbimento o liberazione di calore. Quando, per esempio, avviene la fusione di un solido e l'evaporazione di un liquido, occorre fornire calore dall'esterno, mentre nella condensazione di un vapore e nella solidificazione di un liquido viene ceduto calore verso l'esterno.

La quantità di calore necessaria, per esempio, per fondere una massa m di un solido è data da:

dove cf è il calore latente di fusione (l'unità di misura del calore latente, nel Sistema Internazionale, è il J/kg). Nella tabella 12.1 sono elencate le varie modalità di passaggio di stato.

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