Vuoi sapere cosa rappresenta il calore latente dell'acqua? Se sì, continua con la lettura dell'articolo.
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 legge fondamentale della termologia afferma che fornendo (o sottraendo) calore a una certa quantità di acqua, si ottiene un riscaldamento (o un raffreddamento) dell'acqua stessa. L'esperienza però ci insegna che non è sempre così.
Curva di riscaldamento dell'acqua distillata: si nota che durante la fusione (tratto B-C) e durante l'ebollizione (tratto D-E) la temperatura rimane costante. Il calore fornito in questi passaggi di stato è definito latente.
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.
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Nel caso della fusione, il calore assorbito viene utilizzato per vincere le forze di coesione che mantengono le molecole fisse, vicine le une alle altre.
Calore Latente di Fusione e di Ebollizione
Il calore latente di fusione del ghiaccio (λf) è la quantità di energia necessaria per fondere completamente 1 g di ghiaccio alla temperatura di fusione che, come è noto, è di 0°C.
Come la fusione, anche l'ebollizione è un processo che richiede energia. Il calore latente di ebollizione (λe) è la quantità di energia necessaria per far evaporare completamente 1 grammo di sostanza alla temperatura di ebollizione (100°C alla pressione di 1 atmosfera). Il calore latente di ebollizione viene impiegato per indebolire le forze di coesione tra le particelle del liquido, permettendo loro di allontanarsi fino a passare allo stato di vapore.
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.
Nel caso in cui il calore latente dell'acqua venga espresso per mole di sostanza e non per grammo, si parla di calore latente molare di fusione dell'acqua e di calore latente molare di ebollizione dell'acqua.
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L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg.
Passaggi di Stato
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, raffreddandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno più sentire le forze di coesione.
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.
La tabella riassume i diversi passaggi di stato:
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| 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 |
Vaporizzazione e Condensazione
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.
- 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.
L'Ebollizione dell'Acqua
Far bollire l’acqua e aggiungere il sale per cuocere la pasta è per la maggior parte di noi un’abitudine. Pochi sanno che dietro la preparazione di un piatto di pasta si cela un vero e proprio esperimento di vaporizzazione dell’acqua. Facendo bollire l’acqua nella pentola si osservano nello specifico le due modalità con cui avviene la vaporizzazione: l’evaporazione e l’ebollizione.
Cosa succede quando l’acqua bolle in pentola?
Quando vediamo l’acqua che bolle in pentola, stiamo osservando dal vivo una delle sue modalità di vaporizzazione, il fenomeno chimico-fisico attraverso cui l’acqua dallo stato liquido passa a quello di vapore per effetto del calore. A livello chimico fisico, il calore fornisce l’energia necessaria a rompere i forti legami idrogeno che legano le molecole d’acqua allo stato liquido per trasformarla in gas o vapore.
È importante sapere però che l’ebollizione non va confusa con l’evaporazione, la seconda importante modalità con cui l’acqua si trasforma da liquido a vapore e che possiamo osservare fin da quando iniziamo a scaldare la pentola sulla fiamma di calore.
Per far cuocere la pasta, infatti, abbiamo bisogno di far bollire l’acqua scaldando la pentola affinché raggiunga i 100° C, la temperatura di cottura della pasta. Dopo pochi minuti, vediamo subito la formazione di vapore. In quel momento, iniziamo a vedere con i nostri occhi l’evaporazione.
L’ebollizione invece determina un passaggio veloce e tumultuoso dell’acqua dallo stato liquido a vapore o gas che interessa tutta la sua massa di molecole, non solo la sua superficie, e avviene nel nostro esperimento a 100°C.
Perché si formano le bolle?
Osservando la nostra massa d’acqua nella pentola, piccole bollicine di gas sono presenti già dall’inizio, sono fatte di gas intrappolate nel liquido. Solo quando la tensione superficiale delle bollicine eguaglierà la pressione esterna, queste risaliranno in superficie e l’acqua inizierà a bollire a liberando vapore. Nel nostro esperimento, la vaporizzazione avviene a 100°C, il punto di ebollizione dell’acqua.
Fattori che influenzano il punto di ebollizione
Alla domanda “A che temperatura l’acqua bolle?”, d’istinto si risponde “100 gradi!” ma in realtà un chimico o un fisico userebbero un verbo: “Dipende!” Ebbene sì, la temperatura di ebollizione dell’acqua non è fissa ma varia, una realtà che si testa preparandosi un piatto di pasta a livello del mare o in montagna.
Precedentemente, non avevamo specificato che la nostra pasta la stavamo preparando proprio a Milano, a livello del mare dove il punto di ebollizione dell’acqua è 100° C. Se fossimo stati in montagna il punto di ebollizione sarebbe stato più basso.
Pressione
Perché? Perché la pressione diminuisce. Nello specifico, il punto di ebollizione è la temperatura a cui un liquido diventa gas a una determinata pressione. Ogni liquido ha un suo punto di ebollizione specifico: a livello del mare l’acqua distillata bolle a 100 °C, mentre l’olio a 300-330° C.
Tornando alla nostra acqua, se saliamo in montagna dove la pressione diminuisce, bollirà a una temperatura minore: a circa 90°C a 1000 metri, 80°C a 2000 metri, a 70 °C a 3000 metri e così via. Si stima che il punto di ebollizione dell'acqua diminuisce di 1°C ogni 300 metri di altezza sul livello del mare. Ecco perché in montagna cuocere la pasta è un’impresa: l’acqua non raggiunge i 100°C per una cottura ottimale!
Al contrario, se si va sotto il livello del mare, la pressione aumenta e l’acqua bolle a una temperatura più alta.
Sale e Zucchero
Inoltre, il punto di ebollizione aumenta, anche se di poco, se all’acqua si aggiunge sale o zucchero, arriva a circa 100,2°C. Il sale e lo zucchero sciogliendosi rubano energia all’acqua che ha bisogno di più calore per bollire. In particolare, con l’aggiunta di sale, il punto di ebollizione di 1 litro d’acqua aumenta di 1°C con l’aggiunta di 58 g di sale. Non a caso, il punto di ebollizione dell’acqua di mare è intorno ai 103°C.
Tale aumento lo si vede anche con il latte, una soluzione di acqua, carboidrati, proteine e altri nutrienti. Quando il latte bolle infatti è proprio l’acqua che bolle a una temperatura superiore. Infatti, il punto di ebollizione del latte è 100,16°C.
Tempo di Ebollizione
In genere, sono necessari dai 10 ai 13 minuti per far bollire una pentola di acqua a livello del mare. In montagna, invece, ci vorrà meno tempo perché il punto di ebollizione diminuisce. Ma se copriamo la pentola: l’acqua bolle prima con il coperchio o senza? L’acqua bolle prima con il coperchio perché viene disperso meno calore e si raggiunge più velocemente il suo punto di ebollizione.
Invece, aggiungere il sale all’acqua a temperature vicine al suo punto di ebollizione non la accelera anche se inizia a bollire vigorosamente. Tale effetto è dovuto al fatto che i cristalli di sale facilitano la formazione delle bolle al punto di ebollizione. In pratica è un effetto ottico che non ha nulla a che fare con i tempi necessari a far bollire l’acqua.
Per accelerare l’ebollizione, bisognerebbe modulare la quantità di acqua e il calore con cui la si scalda. Meno acqua si utilizza più velocemente bolle perché la massa da scaldare è minore. Dall’altra parte la stessa quantità d’acqua bolle prima se la fiamma è più potente.
Infine, quando si aggiunge sale o zucchero aumentano sia i tempi che il punto di ebollizione, ma la differenza è impercettibile perché si tratta di pochi °C di differenza.
Abbiamo visto che preparare la pasta è un vero e proprio esperimento di chimica-fisica in cui si osserva come varia il punto di ebollizione dell’acqua in varie situazioni. Adesso, siamo più consapevoli di quello che succede quando l’acqua bolle a casa o in montagna, aggiungendo sale o coprendola con un coperchio per fare prima.
A differenza dell’evaporazione, l’e. La temperatura alla quale il fenomeno si manifesta si chiama punto o temperatura di e.; questa varia da sostanza a sostanza, dipendendo altresì dalla pressione dell’ambiente esterno (cresce con il crescere di questa). Per una data sostanza si chiama invece punto o temperatura normale di e. la temperatura a cui quella sostanza bolle alla pressione normale (1 atm = 1,01325‧105 Pa).
Quando si voglia ottenere l’e. di un liquido a temperatura superiore a quella normale occorre aumentare la pressione esterna. Portato che sia il liquido al punto di e. corrispondente alla pressione esterna, occorrerà poi continuare a somministrare calore perché avvenga l’ebollizione.
La quantità di calore necessaria a fare evaporare l’unità di massa di liquido portato a temperatura di e. si chiama calore (latente) di vaporizzazione. Per l’acqua alla temperatura di 100 °C il calore latente vale 539 Kcal/kg (2257 kJ/kg): per far evaporare un kg di acqua a 100 °C occorre una quantità di calore circa 5,39 volte maggiore di quella necessaria per riscaldare la stessa quantità di acqua da 0 °C a 100 °C.
Il verificarsi del fenomeno dell’e. è condizionato, in maniera essenziale, dalla presenza nel liquido di gas disciolti: in assenza di questi si possono verificare fenomeni di surriscaldamento e il passaggio allo stato aeriforme avviene allora bruscamente, con carattere talora esplosivo, non appena venga turbato l’equilibrio metastabile del liquido surriscaldato.
La temperatura di e. di una soluzione è sempre più elevata di quella del solvente puro: così, l’acqua satura di sale ha punto di e. Sul fenomeno dell’innalzamentodel punto di e. è basata una parte della chimica fisica, la ebullioscopia, che studia appunto le variazioni del punto di e. delle soluzioni in funzione della loro concentrazione ed è uno dei metodi per la determinazione dei pesi molecolari.
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