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?
Il calore latente (associato a una trasformazione termodinamica) è la quantità di energia (sotto forma di calore) per compiere la transizione di fase. Il calore latente è noto anche come calore di cambiamento di stato di una sostanza.
Il calore latente è l’energia assorbita da una sostanza quando cambia stato; ad esempio, da solido a liquido - nel qual caso è noto come calore latente di fusione - o da liquido a gas - nel qual caso è noto come calore latente di vaporizzazione. Quando una sostanza passa da gas a liquido o viceversa, nel corso del processo si restituisce la stessa quantità di energia.
Poiché il calore non provoca una variazione di temperatura nel momento in cui avviene il cambiamento di stato, sembra essere nascosto: ecco perché lo si denomina ‘latente’.
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.
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Unità di Misura
L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg. Nel S.I.
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. 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.
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.
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Calore Latente dell'Acqua
Nel caso del calore latente dell’acqua, va specificato che essa ha un proprio calore latente distinto per i processi di fusione, vaporizzazione e condensazione. Ad esempio, per passare dallo stato solido a quello liquido è necessario che la temperatura sia di 0°C e che il calore latente sia di 334 J/kg. Sono necessari 2.260 J/kg per passare da liquido a vapore (cioè un cambiamento alla temperatura di 100°C).
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.
Nel caso della condensazione, gli effetti del calore latente sono legati ai cambiamenti di fase. Si deve tenere conto dell’entalpia di condensazione, che è uguale all’entalpia di vaporizzazione ma con segno opposto.
Calore Sensibile vs. Calore Latente
Il calore sensibile è definito come il calore che provoca una variazione della temperatura di una sostanza senza provocare alcun cambiamento di stato. Il calore latente, invece, è il calore che provoca il cambiamento di stato di una sostanza senza modificarne la temperatura.
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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. 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. 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.
Esempio di Calcolo
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.
Curva di riscaldamento dell'acqua distillata: si nota che durante la fusione e durante l'ebollizione la temperatura rimane costante.