Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. È uno degli argomenti fondamentali della termodinamica e può essere oggetto di studio nelle scuole superiori.
Cos'è il Calore Latente?
Il calore latente è noto anche come calore di cambiamento di stato di una sostanza. L'unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg, ma talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg.
Infatti, 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. 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.
Come si Calcola il Calore Latente?
La principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura. Il calore latente è l’energia assorbita da una sostanza quando cambia stato; ad esempio, da solido a liquido - nel qual caso è noto come calore latente di fusione - o da liquido a gas - nel qual caso è noto come calore latente di vaporizzazione. Quando una sostanza passa da gas a liquido o viceversa, nel corso del processo si restituisce la stessa quantità di energia.
Poiché il calore non provoca una variazione di temperatura nel momento in cui avviene il cambiamento di stato, sembra essere nascosto: ecco perché lo si denomina ‘latente’.
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Qual è il Calore Latente dell'Acqua?
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. Per esempio, inserendo un termometro all'interno di una massa d'acqua che sta bollendo, pur continuando a fornire calore, la massa d'acqua - durante l'ebollizione - rimane sempre alla temperatura di 100°C (alla pressione di 1 atmosfera).
Nel caso del calore latente dell’acqua, va specificato che essa ha un proprio calore latente distinto per i processi di fusione, vaporizzazione e condensazione. Ad esempio, per passare dallo stato solido a quello liquido è necessario che la temperatura sia di 0°C e che il calore latente sia di 334 J/kg. Sono necessari 2.260 J/kg per passare da liquido a vapore (cioè un cambiamento alla temperatura di 100°C). Nel caso della condensazione, gli effetti del calore latente sono legati ai cambiamenti di fase. Si deve tenere conto dell’entalpia di condensazione, che è uguale all’entalpia di vaporizzazione ma con segno opposto.
Calore Latente di Fusione del Ghiaccio
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. 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.
Calore Latente di Ebollizione
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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Esempio di Calcolo
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.
Si calcoli il calore necessario per fondere completamente un cubetto di ghiaccio di massa 10 grammi che si trova alla temperatura di 0°C e alla pressione di 1 atmosfera.
Attenzione! Il calore latente di fusione Qf è il calore necessario per ottenere la fusione di 1 kg di sostanza. Dalla tabella possiamo vedere che per fondere 1 kg di ghiaccio a 273 K occorrono ben 333 kJ!
Passaggi di Stato e Temperatura
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). 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. 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. 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 evaporizzazione 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.
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. 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.
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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.
Il calore sensibile è definito come il calore che provoca una variazione della temperatura di una sostanza senza provocare alcun cambiamento di stato. Il calore latente, invece, è il calore che provoca il cambiamento di stato di una sostanza senza modificarne la temperatura.