Vuoi sapere cosa rappresenta il calore latente dell'acqua? Se sì, continua con la lettura dell'articolo.
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). Il calore fornito in questi passaggi di stato è definito latente.
Cos'è il calore latente?
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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L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg.
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. 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.
Calore Latente di Fusione ed 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.
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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.
Calore Latente di Condensazione
La condensazione è il passaggio di una sostanza dallo stato di vapore allo stato liquido; è il passaggio inverso dell'evaporazione; si tratta quindi di un passaggio di stato che avviene per sottrazione di calore ad opera di una sorgente esterna.
Affinché la condensazione possa avvenire, è necessario che il vapore sia saturo, ovvero che sia in equilibrio con il proprio liquido; un vapore surriscaldato, ad esempio, può condensarsi solo dopo aver raggiunto, tramite raffreddamento, questa condizione.
Raffreddando i vapori di una sostanza, l'energia cinetica media delle sue particelle diminuisce, con il che ad un certo punto le loro mutue forze di coesione prevalgono, e la sostanza inizia a passare allo stato liquido. Durante il processo della liquefazione la temperatura rimane costante, in quanto il calore che viene sottratto dal sistema è quello che viene liberato nella formazione del legame fra le particelle allo stato liquido (energia di legame).
Quindi, ad esempio, sottraendo calore e quindi condensando del vapore acqueo alla pressione di 1 atm, per tutta la durata del processo e sino a quando l'ultima piccola frazione di vapore non è condensata, la temperatura rimane costante a 100°C.
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È per questo motivo che in alta montagna dove l'aria è più rarefatta e la pressione atmosferica è minore, l'acqua condensa ad una temperatura inferiore ai 100°C.
La condensazione non è da confondere con la liquefazione che è il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido e che avviene solo a determinate pressioni e temperature.
Il calore latente di condensazione è la quantità di energia liberata da 1 g di sostanza in fase di condensazione. Nel Sistema Internazionale si misura in J/kg. Il calore latente di condensazione è numericamente uguale ma di segno opposto al calore latente di vaporizzazione.
Ogni vapore ha una sua temperatura di condensazione esattamente definita. Il calore latente è noto anche come calore di cambiamento di stato di una sostanza.
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 Sensibile vs Calore 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.
La quantità di calore necessaria ad incrementare 1°K, 1kg di acqua, è pari a 4,176 kJ. Se, ad esempio vogliamo portare a 100 °C un chilo di acqua partendo dalla temperatura di 19 °C dovremo dunque erogare: (100 - 19) *4,176 = 334,88 kJ. Allo stesso modo, se volessimo raffreddare un chilo d’acqua da 19 °C a 0 °C, dovremmo asportare calore pari a 83,72 kJ.
Se a questo punto cessasse l’apporto o la sottrazione di calore (trascurando l’influenza dell’ambiente) noi rimarremmo indefinitamente alla presenza di un’acqua a 100 °C che non evapora, o di un’acqua a 0 °C che non si solidifica in ghiaccio.
La quantità di calore fornito in un caso e asportato nell’altro infatti è quello sufficiente a determinare la variazione di temperatura richiesta per consentire il cambiamento di fase; ma ciò non basta a provocarlo. Fornendo calore sensibile o asportandolo, noi abbiamo accelerato o rallentato i moti molecolari in una misura che ha riscontro nella corrispondente variazione di temperatura.
Per permettere che ciò avvenga, è necessario fornire o asportare molta più energia, cioè molto più calore. Questa seconda quantità di calore, che è assorbita o ceduta dalla materia durante il cambiamento di fase, si definisce calore latente e lo scambio avviene senza ulteriori variazioni di temperatura (e quindi in modo non apparente).
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.
| 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 |
Fusione e solidificazione
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.
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. 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.
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 esi verificano gli stessi fenomeni descritti nel caso precedente.
Sublimazione e brinamento
La sublimazione è il passaggio diretto da solido a vapore.
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