Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica. Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. Se frequenti le scuole superiori, potrebbe essere oggetto di compiti in classe e interrogazioni. In questa lezione, trovi la definizione di calore latente, qual è la formula per calcolarlo, le sue proprietà e il meccanismo dei passaggi di stato.
Cos’è il calore latente?
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.
Come si calcola il calore latente?
Come già accennato sopra, la principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura. Approfondisci i passaggi di stato.
Qual è il calore latente dell’acqua?
Vuoi sapere cosa rappresenta il calore latente dell'acqua? Se si 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).
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.
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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.
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.
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.
Ebollizione: Definizione e Caratteristiche
Fenomeno fisico che consiste nel passaggio violento di un corpo dallo stato liquido allo stato aeriforme. Nell’interno di un liquido si formano bolle di vapore, le quali, dilatandosi per effetto termico, sotto l’azione della spinta d’Archimede, giungono sulla superficie del liquido ove, in condizioni opportune di temperatura del liquido e di pressione esterna, si rompono liberando il vapore in esse contenuto. Ciò si verifica quando la temperatura del liquido è divenuta tale che la tensione del vapor saturo contenuto nelle bolle, uguagliata la pressione esterna, tende a superarla. A differenza dell’evaporazione, l’e.
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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’innalzamento del 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.
Occorre ricordare che:
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- la soluzione di una sostanza in un solvente ne innalza il punto di ebollizione a causa dell’abbassamento della tensione di vapore del solvente provocata dal soluto (se questo è meno volatile, cioè ha una tensione di vapore inferiore al solvente);
- sciogliendo in 1000 g di uno stesso solvente una mole di sostanze diverse non volatili che non si dissociano né polimerizzano, si ha lo stesso innalzamento del punto di e., che ha il nome di costante ebullioscopica, K;
- sciogliendo in una determinata quantità di solvente, per es. in 1000 g, una massa P di una data sostanza di peso molecolare M si ha un innalzamento del punto di ebollizione Δ=KP/M. Di qui, misurando Δ, quando siano noti K e P, si può ricavare M: è il cosiddetto metodo ebullioscopico, introdotto da E. Beckmann (1890) per la determinazione dei pesi molecolari di sostanze in soluzione diluita.