Introduzione
Benvenuti a questo articolo che esplora il processo di cambiamento di fase di fusione, solidificazione e sublimazione. Durante questo processo, una sostanza può passare da uno stato solido a uno stato liquido o da uno stato solido a uno stato gassoso. Esamineremo i punti chiave di questi cambiamenti di fase e come sono influenzati dal trasferimento di calore. Inoltre, discuteremo delle quantità di calore necessarie per eseguire questi cambiamenti di fase e come possono essere calcolate. Pronti? Iniziamo!
Fusione: Passaggio da solido a liquido
La fusione è il processo in cui una sostanza passa dallo stato solido a quello liquido. Durante la fusione, le particelle all'interno di una sostanza solida iniziano a vibrare più rapidamente a causa dell'energia termica aggiunta. Questa energia termica rompe le forze attrattive tra le particelle, consentendo loro di muoversi liberamente e assumere la forma di un liquido. Il punto di fusione è la temperatura a cui avviene questo passaggio di fase.
Prendiamo ad esempio l'acqua (H2O). Il punto di fusione dell'acqua è di 0°C. A questa temperatura, sia la fase solida che quella liquida dell'acqua possono coesistere. Se viene aggiunto calore all'acqua solida a 0°C, parte dell'acqua solida si scioglierà e diventerà acqua liquida. Al contrario, se viene rimosso calore, parte dell'acqua liquida si solidificherà in acqua solida. È importante notare che la temperatura della sostanza non cambia durante il cambiamento di fase. In altre parole, i cambiamenti di fase sono isoterma (cioè a temperatura costante).
Solidificazione: Passaggio da liquido a solido
La solidificazione è il processo inverso della fusione, in cui una sostanza passa dallo stato liquido a quello solido. Durante la solidificazione, le particelle all'interno di una sostanza liquida rallentano le loro vibrazioni a causa della rimozione di calore. Questo rallentamento delle particelle consente alle forze attrattive di agire, facendo sì che le particelle si allineino e si organizzino in una struttura solida. Il punto di solidificazione è la temperatura a cui avviene questo passaggio di fase.
Utilizzando ancora una volta l'esempio dell'acqua, il punto di solidificazione dell'acqua è lo stesso del punto di fusione, ovvero 0°C. A questa temperatura, sia la fase solida che quella liquida dell'acqua possono coesistere. Se viene rimosso calore dall'acqua liquida a 0°C, parte dell'acqua liquida si solidificherà in acqua solida. Al contrario, se viene aggiunto calore, parte dell'acqua solida si scioglierà in acqua liquida.
Sublimazione: Passaggio diretto da solido a gas
La sublimazione è un tipo speciale di cambiamento di fase in cui una sostanza passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso, senza passare attraverso lo stato liquido. Durante la sublimazione, le particelle all'interno di una sostanza solida guadagnano abbastanza energia termica da superare le forze attrattive tra di loro e passare direttamente allo stato gassoso. Il punto di sublimazione è la temperatura a cui avviene questo passaggio di fase.
Un esempio comune di sublimazione è il biossido di carbonio (CO2) solido, noto come ghiaccio secco. A una temperatura di -78,5°C, il biossido di carbonio solido sublima, passando direttamente dallo stato solido a quello gassoso. Questo significa che il ghiaccio secco non passa attraverso lo stato liquido quando viene riscaldato.
Anche l'acqua solida può sublimare, anche se a temperature inferiori a 0°C. Ad esempio, uno strato sottile di neve o brina sul terreno può scomparire lentamente mentre l'acqua solida sublima, anche se la temperatura esterna è al di sotto del punto di congelamento dell'acqua. Allo stesso modo, i cubetti di ghiaccio in un congelatore possono ridursi di dimensioni nel tempo a causa della sublimazione dell'acqua solida, che si riforma sulle superfici più fredde del congelatore. La riduzione della temperatura in un congelatore riduce la necessità di sbrinare con frequenza.
Calore di fusione e calore di vaporizzazione
Per ogni cambiamento di fase di una sostanza, esiste una quantità caratteristica di calore necessaria per eseguire il cambiamento di fase per grammo (o per mole) di materiale. Il calore di fusione (ΔHfus) è la quantità di calore per grammo (o per mole) richiesta per un cambiamento di fase che avviene al punto di fusione. Il calore di vaporizzazione (ΔHvap) è la quantità di calore per grammo (o per mole) richiesta per un cambiamento di fase che avviene al punto di ebollizione.
Se si conosce il numero totale di grammi o moli di materiale, è possibile utilizzare il ΔHfus o il ΔHvap per determinare il calore totale trasferito per la fusione o la solidificazione utilizzando le seguenti espressioni:
Calore = n × ΔHfus (equazione 1a)
dove n è il numero di moli e ΔHfus è espresso in energia/mole, oppure
Calore = m × ΔHfus (equazione 1b)
dove m è la massa in grammi e ΔHfus è espresso in energia/grammo.
Per l'ebollizione o la condensazione, utilizzare le seguenti espressioni:
Calore = n × ΔHvap (equazione 2a)
dove n è il numero di moli e ΔHvap è espresso in energia/mole, oppure
Calore = m × ΔHvap (equazione 2b)
dove m è la massa in grammi e ΔHvap è espresso in energia/grammo.
È importante notare che i cambiamenti di fase dipendono dalla direzione del trasferimento di calore. Se il calore viene trasferito all'interno di una sostanza, i solidi diventano liquidi e i liquidi diventano solidi ai punti di fusione e di ebollizione, rispettivamente. Se il calore viene trasferito all'esterno, i liquidi si solidificano e i gas si condensano in liquidi.
Conclusioni
In questo articolo abbiamo esplorato i processi di fusione, solidificazione e sublimazione, che sono i cambiamenti di fase che una sostanza può subire. Abbiamo visto come il trasferimento di calore influenzi questi cambiamenti di fase e come sia possibile calcolare la quantità di calore necessaria per eseguire tali cambiamenti. Ricordate che la fusione è il passaggio da solido a liquido, la solidificazione è il passaggio da liquido a solido e la sublimazione è il passaggio diretto da solido a gas. Speriamo che questo articolo vi abbia fornito una comprensione più approfondita di questi processi fisici.