Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica e rappresenta la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato.
Cos'è il Calore Latente?
Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg, anche se 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.
Le Transizioni di Fase
La transizione di fase (o passaggio di stato) indica il passaggio di un sistema termodinamico da uno stato di aggregazione a un altro. Ad esempio quando riscaldiamo una sostanza solida, essa passa allo stato liquido, oppure quando la raffrediamo essa passa allo stato solido.
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Una caratteristica della transizione di fase è che nonostante si continui a fornire calore, la temperatura rimane costante finché il passaggio non è completato.
Questo calore (o meglio, energia) serve per la rottura dei legami molecolari cosicché possa avvenire il passaggio di stato. La quantità di energia necessaria per rompere i legami e portare a termine la transizione è chiamata calore latente.
Calore Latente e Passaggi di Stato
Quindi il calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia (sotto forma di calore) per compiere la transizione di fase. L'unità di misura del calore latente nel Sistema internazionale è [J/kg]. Spesso il calore latente viene espresso per mole di sostanza come calore latente molare [J/mol].
Ad esempio, il calore latente di fusione è l'energia massima corrispondente al passaggio di un sistema (costituito da una a più sostanze chimiche) dallo stato solido a quello liquido.
La Fusione
La fusione di un corpo solido ha le seguenti caratteristiche:
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- Avviene ad una temperatura determinata detta temperatura di fusione di quella sostanza.
- Durante la fusione di un corpo la sua temperatura si mantiene costante.
- La quantità di energia necessaria è proporzionale ad m.
Lf è detta calore latente di fusione [J/kg]. Questo valore è alla temperatura di fusione ed è indicato come una variazione di entalpia ΔHf [J]. Le stesse considerazioni valgono per il processo inverso cioè la solidificazione.
Il calore tenderà a fluire dal corpo più caldo a quello più freddo.
La Vaporizzazione
L'evaporazione di un liquido aumenta con la temperatura. L'ebollizione si ha quando la tensione di vapore diventa uguale alla pressione esterna. La temperatura di ebollizione di una sostanza dipende dalla pressione esterna. Ad es. sarà inferiore a quella registrata in riva al mare. Il calore necessario è proporzionale ad m. Lv è detta calore latente di vaporizzazione [ J/kg ].
La quantità di calore necessaria per far evaporare tutta la massa m arrivata alla temperatura di ebollizione è Q = m Lv [ J ].
Diagrammi di Stato
Il comportamento di una sostanza in relazione alle sue fasi può essere rappresentato con un grafico chiamato diagramma di stato. I diagrammi di stato più comuni sono il diagramma PV noto come piano di Clapeyron e il diagramma PT. Ad esempio, è disegnato il diagramma PV per la CO2; le curve sono rappresentative dell'andamento delle isoterme e della sua temperatura critica.
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Gas e Vapore
- Un vapore è una sostanza gassosa che si trova al di sotto della sua temperatura critica.
- Un vapore è liquefacibile per compressione.
- Un gas non è liquefacibile per compressione.
Punti di Coesistenza
In un diagramma di stato, si hanno gli stati di coesistenza tra ghiaccio ed acqua.
Modalità di Raffreddamento
Un sistema può essere raffreddato in due modi:
- Raffreddandolo mantenendo costante il volume.
- Raffreddandolo mantenendo costante la pressione.