Passaggi di stato

La materia, se sottoposta a variazione di temperatura e pressione, subisce una trasformazione da uno stato fisico ad un altro, chiamato passaggio di stato, una trasformazione fisica e non chimica, perché non viene alterata la composizione della sostanza, ma solo il modo in cui sono legate le particelle.
Quando un corpo è riscaldato, l'energia delle particelle aumenta fino a superare le forze di coesione, determinando il passaggio di stato; viceversa, raffreddandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno più sentire le forze di coesione.
Per quanto riguarda la pressione, un suo aumento favorisce il passaggio da vapore a liquido e da liquido a solido, perché si ha l'avvicinamento delle particelle e quindi l'aumento delle forze di coesione. Al contrario, una diminuzione di pressione favorisce i passaggi di stato opposti: fusione, vaporizzazione, sublimazione.

La tabella riassume i diversi passaggi di stato.

 

PASSAGGI DI STATO
fusione passaggio da solido a liquido
solidificazione passaggio da liquido a solido
vaporizzazione passaggio da liquido ad aeriforme
condensazione passaggio da aeriforme a liquido
sublimazione passaggio diretto da solido ad aeriforme
brinamento passaggio diretto da aeriforme a solido

 

passaggi di stato

 

Fusione e solidificazione

Attraverso la somministrazione di calore, le particelle vincolate di un solido si muovono sempre più rapidamente fino ad allontanarsi e scorrere le une sulle altre, ottenendo la fusione del solido. Mediante la sottrazione di calore si ha il processo opposto di solidificazione, chiamato cristallizzazione se riguarda una massa di magma fluido, in cui le particelle progressivamente rallentano fino ad assumere una posizione fissa. Ogni sostanza ha un proprio punto di fusione (che coincide con quello di solidificazione): temperatura o punto di fusione e di solidificazione.

Durante il processo di fusione, quando coesistono i due stati, continuando a fornire calore (calore latente di fusione) la temperatura non aumenta finché non si è completato il passaggio di stato. Questo si verifica perché l'energia fornita è impiegata per rompere i legami tra le particelle e non per aumentarne la velocità. Analogamente, durante il raffreddamento la temperatura non diminuisce perché la formazione dei legami libera energia (calore latente di solidificazione), pari a quella assorbita durante il processo di fusione, che compensa il raffreddamento.

curva di riscaldamento

 

Vaporizzazione e condensazione

Fornendo ulteriore calore, le particelle si muovono così rapidamente fino a rompere definitivamente i legami, allontanandosi reciprocamente. L'energia termica necessaria per avere il passaggio di stato si chiama calore latente di vaporizzazione; la stessa energia viene restituita quando si ha il passaggio inverso (calore latente di condensazione).
La vaporizzazione comprende due fenomeni distinti.

L'ebollizione interessa tutta la massa del liquido e avviene per diretta somministrazione di calore. Ogni sostanza ha una specifica temperatura o punto di ebollizione, che dipende dalla pressione atmosferica: più alta è la pressione e più aumenta la temperatura di ebollizione; infatti, nella pentola a pressione l'acqua bolle a 110°C perciò i cibi si cuociono molto più rapidamente, mentre in montagna l'acqua bolle prima ma ad una temperatura più bassa perciò è più difficile cucinare.

L'evaporazione riguarda l'allontanamento spontaneo e graduale delle particelle che si verifica sulla superficie del liquido ad una temperatura inferiore a quella di ebollizione. Questo si verifica perché alcune particelle possiedono maggiore energia cinetica di altre, inoltre, le particelle superficiali risentono meno delle forze di coesione per cui possono più facilmente allontanarsi. Per questo motivo l'evaporazione è maggiore quando la temperatura è più alta, quando la superficie è più ampia e quando la pressione è minore. Poiché ad allontanarsi sono le particelle con energia cinetica più alta, il liquido subisce un raffreddamento.

Anche per il fenomeno inverso si hanno due termini. Si usa il termine condensazione quando il passaggio di stato avviene mediante raffreddamento, mentre la liquefazione necessita un aumento di pressione superiore a quella ambientale. In questo caso, l'avvicinamento forzato delle particelle comporta il prevalere delle forze coesive. Per alcuni gas non basta il solo aumento di pressione ma serva anche una diminuzione della temperatura.

Come nella fusione e solidificazione, durante il passaggio di stato non c'è modificazione della temperatura e si verificano gli stessi fenomeni descritti nel caso precedente.

curva di raffreddamento

 

Sublimazione e brinamento

La sublimazione è il passaggio diretto da solido a vapore. La naftalina presenta questo fenomeno a temperatura e pressione ordinarie, mentre per altre sostanze è favorita da un aumento di temperatura e una diminuzione di pressione.
Il passaggio diretto da vapore a solido si chiama brinamento e si verifica quando il vapore viene a contatto con una superficie molto fredda, come avviene per la formazione della brina.