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. Se frequenti le scuole superiori, potrebbe essere oggetto di compiti in classe e interrogazioni.
Cos’è il Calore Latente?
Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica. 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.
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.
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.
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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.
Calore di Fusione: Definizione e Valore
Il calore di fusione rappresenta la quantità di energia necessaria per fondere una determinata massa di un solido alla sua temperatura di fusione. Ad esempio, l'acqua ha un calore di fusione pari a 80 calorie per grammo (cal/g): ciò significa che occorrono 80 calorie per fondere 1 grammo di ghiaccio alla temperatura di 0 °C. Per calcolare il calore di fusione, è fondamentale comprendere le dinamiche del processo.
Quando si fornisce calore a una massa solida, ad esempio ghiaccio, questa può fondere completamente senza che vi siano variazioni di temperatura. La quantità totale di calore fornita è proporzionale alla massa della sostanza. Se invece la massa fosse espressa in grammi, il valore di Lf dovrebbe essere adattato di conseguenza.
Lo scopo principale di questa sezione è quello di provare come il calore ceduto a un corpo non sempre implichi un aumento di temperatura. L'eccezione è costituita dai cambiamenti di stato. Quando noi forniamo calore a un blocco di ghiaccio, la temperatura del ghiaccio aumenta fino ad arrivare a 0°C. Se forniamo ulteriore calore notiamo che la temperatura del ghiaccio non aumenta ma rimane costante. Quando tutto il ghiaccio è fuso, il calore che forniamo all'acqua serve di nuovo per aumentare la sua temperatura finché arriviamo a una temperatura di 100°C. A quel punto il calore ulteriore che cediamo serve al nuovo cambiamento di stato, da liquido a gas. In questa fase di nuovo la temperatura rimane costante finché tutta l'acqua non è passata allo stato gassoso.
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Dopo questa introduzione qualitativa cerchiamo di capire quanto calore serve per far fondere una massa m di ghiaccio o di una qualunque sostanza allo stato solido. È abbastanza intuitivo che questo calore risulta tanto maggiore quanto maggiore è la massa m di sostanza da fondere. In particolare, il calore di fusione Q e la massa m sono direttamente proporzionali Q = Lf · m. Il coefficiente di proporzionalità prende il nome di calore latente di fusione e dipende dalla sostanza che prendiamo in esame. Dal momento che Lf = Q / m la sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il J / kg. Nel caso particolare dell'acqua abbiamo che Lf = 3.34 · 105 J / kg. Questo significa che, a pressione atmosferica, per fondere 1 kg di ghiaccio servono 3.34 · 105 J.
È importante precisare a pressione atmosferica perché, se cambiamo la pressione, i valori delle grandezze fisiche che caratterizzano il cambiamento di stato cambiano. Ad esempio, se aumentiamo la pressione sul ghiaccio possiamo abbassare la temperatura di fusione al di sotto degli 0°C.
Sublimazione e Deposizione
In alcune circostanze, un solido può trasformarsi direttamente in gas, bypassando lo stato liquido. Questo fenomeno è noto come sublimazione, mentre il processo inverso è chiamato deposizione. 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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Come la fusione, anche l'ebollizione è un processo che richiede energia. 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.
Curva di riscaldamento dell'acqua distillata: si nota che durante la fusione e durante l'ebollizione la temperatura rimane costante.
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.
Esempio di Calcolo
Svolgiamo un esempio per rendere più chiare le idee. 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. Nel S.I.
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.
| Sostanza | Calore Latente di Fusione (J/kg) |
|---|---|
| Acqua | 3.34 x 105 |