Il calore latente è la quantità di energia necessaria affinché 1 kg di una sostanza cambi il suo stato di aggregazione. Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica.
Cos'è la Solidificazione?
Per solidificazione si intende il passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato solido; tale processo avviene tramite raffreddamento di un liquido. La solidificazione si può ottenere anche per variazione della sola pressione o per una simultanea variazione della pressione e della temperatura.
Il calore che viene sottratto al liquido durante la solidificazione fa diminuire la sua temperatura, e quindi anche l'energia cinetica delle sue particelle, il cui movimento diventa pertanto sempre meno caotico. A una temperatura sufficientemente bassa, le particelle incominciano ad assumere nella massa della sostanza liquida delle posizioni di equilibrio nello spazio tridimensionale.
Come già detto, durante il processo di solidificazione, la temperatura del liquido rimane costante. Più in particolare, il calore latente di solidificazione è la quantità di energia liberata da 1 g di sostanza in fase di solidificazione. La temperatura di solidificazione è una grandezza caratteristica di ogni sostanza pura e quindi è una proprietà intensiva della materia.
I Passaggi di Stato e la Temperatura
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.
In generale, bisogna sottolineare che la coesistenza della fase solida e della fase liquida di una sostanza (equilibrio), si può riscontrare solo a una data temperatura e per uno specifico valore di pressione, entrambi dipendenti dalla sostanza considerata.
Calore Latente di Fusione e Solidificazione
Il calore latente di fusione è una grandezza caratteristica di ogni sostanza chimicamente definita e che esprime quantitativamente l’apporto energetico necessario per produrre la fusione. Analogamente, il calore latente di solidificazione indica la quantità di calore che l’unità di massa di un liquido alla temperatura di solidificazione cede all’ambiente.
La temperatura di solidificazione di una sostanza corrisponde alla sua temperatura di fusione: la quantità di energia che l’ambiente spende per fondere una certa quantità di sostanza deve essere uguale a quella che guadagna quando questa solidifica. Secondo la conservazione dell’energia, durante la solidificazione la sostanza considerata cede all’ambiente una quantità di energia.
Durante la solidificazione si ha una limitazione nel movimento delle molecole e degli atomi che si riduce infine ad un movimento periodico e vibrazionale attorno ad alcuni centri di equilibrio. Poiché già nel liquido le molecole erano addensate, si assiste in questo caso ad una piccola variazione nel volume. Le particelle della sostanza si legano fra loro e si dispongono in strutture cristalline regolari.
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Influenza della Pressione e delle Impurità
La temperatura di s. dipende, in misura però molto piccola, dalla pressione. La temperatura di s. alla quale generalmente ci si riferisce è quella corrispondente alla pressione atmosferica normale. Sul punto di s. influisce, nel senso di abbassarlo, la presenza di sostanze disciolte nel liquido (l’acqua pura solidifica a 0 °C, mentre quella di mare solidifica a circa −2,5 °C).
Abbassamento del Punto di Solidificazione
Ad una determinata pressione ogni sostanza cristallina presenta una caratteristica temperatura di fusione (che è la stessa di solidificazione); tale temperatura varia con la pressione. Per le sostanze che fondendo aumentano di volume, ad un aumento di pressione corrisponde un aumento della temperatura di fusione.
Esempio Pratico
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.
Sperimentalmente si verifica che la quantità di calore necessaria per fondere una massa m di sostanza, che si trova alla temperatura di fusione, dipende dal tipo di sostanza ed è direttamente proporzionale alla massa stessa e prende il nome di calore latente di fusione: quantità di calore fornito a pressione costante alla massa unitaria di una data sostanza che si trova allo stato solido, portata alla temperatura di fusione, per ottenere senza alterare la temperatura, il passaggio completo allo stato liquido.
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