Il calore entra in gioco continuamente nella vita quotidiana. I primi studi sul calore risalgono a diversi secoli fa. Poiché il calore è una forma di energia può trasformarsi in un altro tipo di energia o originare da esso.
Uno dei concetti chiave in termodinamica è rappresentato dal calore di fusione, che viene definito come la quantità di energia impiegata nel corso della transizione di fase di una mole, dallo stato solido a quello liquido, senza alcuna alterazione della temperatura. Il calore di fusione rappresenta la quantità di energia necessaria per fondere una determinata massa di un solido alla sua temperatura di fusione.
Cos'è il Calore Latente?
Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica.
La principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura. Invece, durante i passaggi di stato, è dimostrato empiricamente che non si verifica alcun cambiamento di temperatura nelle sostanze che passano da uno stato a un altro, ad esempio da solide diventano liquide. Infatti, in tutti questi casi non possiamo usare la formula classica del calore Q = m ∙ c ∙ ∆T, secondo cui il calore è direttamente proporzionale sia alla variazione di temperatura che alla massa.
Quindi, come si calcola il calore? Come si misura il calore? Infatti, la caloria, cal, è la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 grado la temperatura di 1 grammo d’acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C. C’è una ragione per cui in fisica si precisa l’intervallo di temperatura in cui si verifica l’aumento di 1 grado, 14,5-15,5 °C. Dato che il calore può essere misurato sia in cal che in J, è importante saper convertire calorie in joule, e viceversa.
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Calore di Fusione: Un Esempio
Ad esempio, l'acqua ha un calore di fusione pari a 80 calorie per grammo (cal/g): ciò significa che occorrono 80 calorie per fondere 1 grammo di ghiaccio alla temperatura di 0 °C.
Supponiamo di volere determinare la quantità di calore necessaria per fondere un cubetto di ghiaccio di massa 120 g che si trova alla temperatura di 0°C. Pertanto per fondere 120 g di ghiaccio che si trovano alla temperatura di 0°C è necessario fornire una quantità di calore pari a 40.020 J.
Come Calcolare il Calore di Fusione
Per calcolare il calore di fusione, è fondamentale comprendere le dinamiche del processo. Quando si fornisce calore a una massa solida, ad esempio ghiaccio, questa può fondere completamente senza che vi siano variazioni di temperatura.
Il primo passo per calcolare il calore di fusione è certamente quello di dotarsi di un buon manuale di chimica e leggere con attenzione i capitoli dedicati al calore di fusione, indirizzando il proprio interesse verso le dinamiche che si innescano quando ad un corpo, ad esempio una massa di ghiaccio, viene fornito calore e cambia stato, diventando liquido, senza che vi siano variazioni della temperatura.
La quantità totale di calore fornita è proporzionale alla massa della sostanza. In particolare, il calore di fusione Q e la massa m sono direttamente proporzionali:Q = Lf · m.Il coefficiente di proporzionalità prende il nome di calore latente di fusione e dipende dalla sostanza che prendiamo in esame.
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Dal momento che Lf = Q / m la sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il J / kg. Nel sistema internazionale di unità di misura il calore latente viene espresso in J/Kg, cioè si misura in joule su un chilogrammo di sostanza. Ad ogni modo, è possibile che, in alcuni casi, il valore venga indicato in J/mol.
Se invece la massa fosse espressa in grammi, il valore di Lf dovrebbe essere adattato di conseguenza. Chiaramente, se la massa è espressa in grammi, dovete portare il valore indicato da J/Kg a J/mol, tramite una semplice equivalenza.
Il calore assorbito durante il processo non aumenta o decrementa la temperatura, che rimane costante, bensì agisce sulla forza e sulla coesione dei legami intermolecolari.
Il valore del calore necessario alla transizione dallo stato solido a quello liquido potrà essere ricavato moltiplicando la massa della sostanza al valore del calore latente di fusione, presente nei tabulati. Sapendo che, ad esempio, il calore latente di fusione dell'acqua è pari a 3,34 x 10^5 J/Kg, il calore necessario a fondere 2 Kg di ghiaccio, ad una temperatura di 0 gradi centigradi, sarà uguale a 6,68x10^5 J.
È abbastanza intuitivo che questo calore risulta tanto maggiore quanto maggiore è la massa m di sostanza da fondere. Nel caso particolare dell'acqua abbiamo che Lf = 3.34 · 105 J / kg. Questo significa che, a pressione atmosferica, per fondere 1 kg di ghiaccio servono 3.34 · 105 J. È importante precisare a pressione atmosferica perché, se cambiamo la pressione, i valori delle grandezze fisiche che caratterizzano il cambiamento di stato cambiano. Ad esempio, se aumentiamo la pressione sul ghiaccio possiamo abbassare la temperatura di fusione al di sotto degli 0°C.
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Sublimazione e Deposizione
In alcune circostanze, un solido può trasformarsi direttamente in gas, bypassando lo stato liquido. Questo fenomeno è noto come sublimazione, mentre il processo inverso è chiamato deposizione.
In alcuni casi, il solido bypasserà lo stato liquido e passerà allo stato gassoso. Questa trasformazione diretta da solido a gas è chiamata sublimazione. La reazione opposta, ovvero quando un gas si trasforma direttamente in un solido, è nota come deposizione.
Passaggi di Stato e Temperatura
I passaggi di stato delle sostanze pure avvengono infatti a temperature ben precise e caratteristiche per ogni sostanza; queste temperature rimangono costanti per tutta la durata del processo. Nel caso della fusione del ghiaccio, ad esempio, la temperatura resta costante per tutto il processo anche se il sistema continua ad assorbire energia dall'ambiente sotto forma di calore. Tale quantità di energia è chiamata calore latente di fusione.
Come la fusione, anche l'ebollizione è un processo che richiede energia. Il calore latente di vaporizzazione (o di ebollizione), fornito durante l'ebollizione della sostanza, viene utilizzato per indebolire le forze di coesione tra le particelle del liquido, permettendo loro di allontanarsi fino a passare allo stato di vapore.
Quando noi forniamo calore a un blocco di ghiaccio, la temperatura del ghiaccio aumenta fino ad arrivare a 0°C. Se forniamo ulteriore calore notiamo che la temperatura del ghiaccio non aumenta ma rimane costante. Quando tutto il ghiaccio è fuso, il calore che forniamo all'acqua serve di nuovo per aumentare la sua temperatura finché arriviamo a una temperatura di 100°C. A quel punto il calore ulteriore che cediamo serve al nuovo cambiamento di stato, da liquido a gas. In questa fase di nuovo la temperatura rimane costante finché tutta l'acqua non è passata allo stato gassoso.
Tabella dei Passaggi di Stato
| Passaggio di Stato | Descrizione | Temperatura |
|---|---|---|
| Fusione | Solido a liquido | Costante |
| Ebollizione | Liquido a gas | Costante |
| Sublimazione | Solido a gas | Varia a seconda della sostanza |
| Solidificazione | Liquido a solido | Costante |
| Condensazione | Gas a liquido | Costante |
| Brinamento | Gas a solido | Varia a seconda della sostanza |