Il calore latente è un concetto fondamentale della termodinamica, essenziale per comprendere i passaggi di stato della materia. Questa lezione esplora la definizione di calore latente, come calcolarlo, le sue proprietà e fornisce esempi pratici.
Cos'è il Calore Latente?
Il calore latente è la quantità di energia (sotto forma di calore) necessaria affinché 1 kg di una sostanza cambi il suo stato di aggregazione. Più precisamente, è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. L'unità di misura del calore latente nel Sistema Internazionale è il joule su chilogrammo [J/kg]. Spesso il calore latente viene espresso per mole di sostanza come calore latente molare [J/mol].
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.
Passaggi di Stato e Calore Latente
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 raffreddiamo essa passa allo stato solido.
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.
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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. Ad esempio, nel caso della fusione del ghiaccio, 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. 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.
Tipi di Calore Latente
- 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.
- Calore Latente di Vaporizzazione: Quantità di energia che bisogna fornire a 1 kg di sostanza dallo stato liquido allo stato aeriforme.
La solidificazione è il passaggio inverso della fusione, ossia la materia passa dallo stato liquido a quello solido; tale passaggio avviene alla stessa temperatura della fusione. A una determinata pressione ogni sostanza cristallina presenta una caratteristica temperatura di fusione (che è la stessa di solidificazione); tale temperatura varia con la pressione.
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. 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.
A questo punto della trasformazione, se al corpo viene fornito ulteriore calore, la fusione prosegue a temperatura costante Tf; tutto il calore che il corpo assorbe in questa fase viene utilizzato per allontanare gli atomi o le molecole, ossia per modificare la configurazione dei legami chimici caratteristici di quella sostanza: il calore fornito dalla sorgente viene utilizzato come lavoro per indebolire le forze intermolecolari al fine di sciogliere la struttura della materia allo stato solido.
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Esempio di Calcolo del Calore Latente
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.
Il Calore Latente dell'Acqua
L'acqua è un ottimo esempio per illustrare il concetto di calore latente. Durante la fusione (da ghiaccio ad acqua) e l'ebollizione (da acqua a vapore), la temperatura rimane costante nonostante l'apporto di calore. Questo calore viene utilizzato per cambiare lo stato fisico dell'acqua, rompendo i legami molecolari senza aumentare l'energia cinetica delle molecole (e quindi la temperatura).
Curva di riscaldamento dell'acqua distillata: si nota che durante la fusione e durante l'ebollizione la temperatura rimane costante.
Propagazione del Calore
Il calore può propagarsi per conduzione, convezione e irraggiamento.
- Conduzione: Trasferimento di calore senza trasferimento di materia, in assenza di spostamento macroscopico di materia.
- Convezione: Meccanismo mediante il quale il calore si propaga nei fluidi (liquidi o aeriformi) attraverso un flusso di materia chiamato corrente convettiva.
- Irraggiamento: Propagazione del calore anche nel vuoto.
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