I passaggi di stato della materia sono quei fenomeni fisici che permettono a un corpo di passare da uno stato all’altro. Detto in altri termini, questo passaggio è reversibile. Ma quali sono gli stati della materia?
Questi tre sono gli stati della materia di cui tutti abbiamo esperienza nella vita reale. Per completezza, dobbiamo precisare che esiste un 4° stato della materia, quello plasmatico. Lo stato plasmatico della materia è detto anche stato ionizzato. Quindi, quanti sono gli stati della materia?
In fisica, affinché un passaggio di stato si verifichi è necessario fornire o sottrarre calore a un corpo. La caratteristica principale dei passaggi di stato è che questi fenomeni accadono a temperatura costante. L’esempio classico è quello dell’acqua che bolle. Durante il processo, la temperatura è fissa a 100° C fino alla sua completa trasformazione in vapore.
I passaggi di stato più conosciuti sono 6. Ma poiché come detto sopra, gli stati della materia sono 4, a questi 6 passaggi ne vanno aggiunti altri 2. Quindi, in ordine avremo:
- il passaggio da solido a liquido
- da liquido a gassoso e viceversa
- da gassoso a liquido
- da liquido a solido
La materia, se sottoposta a variazione di temperatura e pressione, subisce una trasformazione da uno stato fisico ad un altro, chiamato passaggio di stato, una trasformazione fisica e non chimica, perché non viene alterata la composizione della sostanza, ma solo il modo in cui sono legate le particelle. Quando un corpo è riscaldato, l'energia delle particelle aumenta fino a superare le forze di coesione, determinando il passaggio di stato; viceversa, raffredandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno più sentire le forze di coesione.
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Per quanto riguarda la pressione, un suo aumento favorisce il passaggio da vapore a liquido e da liquido a solido, perché si ha l'avvicinamento delle particelle e quindi l'aumento delle forze di coesione. Al contrario, una diminuzione di pressione favorisce i passaggi di stato opposti: fusione, vaporizzazione, sublimazione.
I passaggi di stato hanno le stesse proprietà. Quando avviene il cambiamento di stato la temperatura della sostanza non cambia (mentre il ghiaccio fonde, la temperatura non cambia durante il suo processo).
Fusione e Solidificazione
La fusione è il passaggio di stato da solido a liquido. Durante il processo di fusione si verifica un aumento di volume della materia. La fusione è il passaggio dallo stato solido a quello liquido questo avviene quando il calore viene assorbito dalla sostanza che cambia stato (il corpo comincia a fondere alla temperatura Tf. Mentre fonde, la temperatura rimane costante. Il calore latente di fusione è la quantità di calore che deve fornire a 1 kg di sostanza, che si trova alla temperatura di fusione, perché essa fonda completamente. Esempio: per fondere 1Kg di ghiaccio a 0°C sono necessari 334000 J; quando 1 kg di acqua a 0°C solidifica e diventa ghiaccio, fornisce 334000J di calore. La temperatura del liquido si abbassa ed esso comincia a solidificare alla temperatura Tf-. Mentre solidifica la temperatura rimane costante. Nellintervallo T2-T1 coesistono liquido e solido.
Attraverso la somministrazione di calore, le particelle vincolate di un solido si muovono sempre più rapidamente fino ad allontanarsi e scorrere le une sulle altre, ottenendo la fusione del solido. Mediante la sottrazione di calore si ha il processo opposto di solidificazione, chiamato cristallizzazione se riguarda una massa di magma fluido, in cui le particelle progressivamente rallentano fino ad assumere una posizione fissa. Ogni sostanza ha un proprio punto di fusione (che coincide con quello di solidificazione): temperatura o punto di fusione e di solidificazione.
Durante il processo di fusione, quando coesistono i due stati, continuando a fornire calore (calore latente di fusione) la temperatura non aumenta finché non si è completato il passaggio di stato. Questo si verifica perché l'energia fornita è impiegata per rompere i legami tra le particelle e non per aumentarne la velocità. Analogamente, durante il raffreddamento la temperatura non diminuisce perché la formazione dei legami libera energia (calore latente di solidificazione), pari a quella assorbita durante il processo di fusione, che compensa il raffreddamento.
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La solidificazione è il passaggio di stato da liquido a solido.
Vaporizzazione e Condensazione
La vaporizzazione è il passaggio di stato da liquido a gassoso. Levaporazione o vaporizzazione è il passaggio dallo stato liquido, allo stato gassoso e avviene mediante assorbimento di calore da parte del liquido che cambia stato. Durante levaporazione la temperatura rimane costante. Il calore latente di e vaporizzazione è la quantità di calore assorbita da una massa unitaria, di liquido, che si trova già alla temperatura di evaporazione, per poi passare allo stato gassoso.
Fornendo ulteriore calore, le particelle si muovono così rapidamente fino a rompere definitivamente i legami, allontanandosi reciprocamente. L'energia termica necessaria per avere il passaggio di stato si chiama calore latente di vaporizzazione; la stessa energia viene restituita quando si ha il passaggio inverso (calore latente di condensazione). La vaporizzazione comprende due fenomeni distinti.
L'ebollizione interessa tutta la massa del liquido e avviene per diretta somministrazione di calore. Ogni sostanza ha una specifica temperatura o punto di ebollizione, che dipende dalla pressione atmosferica: più alta è la pressione e più aumenta la temperatura di ebollizione; infatti, nella pentola a pressione l'acqua bolle a 110°C perciò i cibi si cuociono molto più rapidamente, mentre in montagna l'acqua bolle prima ma ad una temperatura più bassa perciò è più difficile cucinare.
L'evaporazione riguarda l'allontanamento spontaneo e graduale delle particelle che si verifica sulla superficie del liquido ad una temperatura inferiore a quella di ebollizione. Questo si verifica perché alcune particelle possiedono maggiore energia cinetica di altre, inoltre, le particelle superficiali risentono meno delle forze di coesione per cui possono più facilmente allontanarsi. Per questo motivo l'evaporazione è maggiore quando la temperatura è più alta, quando la superficie è più ampia e quando la pressione è minore. Poiché ad allontanarsi sono le particelle con energia cinetica più alta, il liquido subisce un raffreddamento.
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- Se avviene lentamente, solo in superficie e non dipende da una temperatura precisa, si parla di evaporazione.
- Se la vaporizzazione avviene in modo tumultuoso e rapido in ogni punto del liquido, il fenomeno viene detto ebollizione e la temperatura precisa a cui avviene il cambiamento di stato è detta punto di ebollizione.
Un’ulteriore differenza tra evaporazione ed ebollizione sta nella temperatura a cui avvengono.
Anche per il fenomeno inverso si hanno due termini. Si usa il termine condensazione quando il passaggio di stato avviene mediante raffreddamento, mentre la liquefazione necessita un aumento di pressione superiore a quella ambientale. In questo caso, l'avvicinamento forzato delle particelle comporta il prevalere delle forze coesive. Per alcuni gas non basta il solo aumento di pressione ma serva anche una diminuzione della temperatura.
Come nella fusione e solidificazione, durante il passaggio di stato non c'è modificazione della temperatura e si verificano gli stessi fenomeni descritti nel caso precedente.
La condensazione è il passaggio di stato da gassoso a liquido. Si riferisce al cambiamento da aeriforme a liquido. Si verifica per sottrazione di calore e avvicinamento delle molecole di gas. Quando piove il vapore delle nuvole infatti condensa formando delle gocce.
Sublimazione e Brinamento
Che cos’è la sublimazione? La sublimazione è il passaggio di stato da solido a gassoso. La sublimazione è il passaggio diretto da solido a vapore. Non tutte le sostanze possono sublimare. Avviene per aggiunta di calore.
Il brinamento è il passaggio di stato da gassoso a solido. Si tratta del passaggi da stato aeriforme a solido. Si verifica per sottrazione di calore, come nelle notti invernali al vapore acqueo che dà forma alla brina sui prati.
La tabella riassume i diversi passaggi di stato.
| Passaggio di Stato | Descrizione |
|---|---|
| Fusione | Passaggio da solido a liquido |
| Solidificazione | Passaggio da liquido a solido |
| Vaporizzazione | Passaggio da liquido ad aeriforme |
| Condensazione | Passaggio da aeriforme a liquido |
| Sublimazione | Passaggio diretto da solido ad aeriforme |
| Brinamento | Passaggio diretto da aeriforme a solido |
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