I passaggi di stato Della materia

Atomi e molecole

Per capire meglio i meccanismi che regolano i fenomeni termici è necessaria un'analisi microscopica della materia. Gli oggetti naturali, chiamati anche sostanze, sono formati da tantissime molecole (una molecola è un raggruppamento di due o più atomi). Gli atomi sono delle particelle unite tra loro tramite forze di coesione che li mantengono stabili nel tempo. Gli atomi si differenziano fra loro per volume e per peso. In natura esistono 92 tipi di atomi e ciascun tipo prende il nome di elemento chimico. Le molecole possono essere formate da un solo atomo (dette monoatomiche), da due atomi (dette biatomiche), o da tre e più atomi, (dette poliatomiche).

Per esempio, l'acqua è una molecola formata da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O).

Invece la molecola dell'ossigeno è formata da due atomi dello stesso elemento (O2).

Un esempio di molecole poliatomiche è il metano

Esistono però molecole che possono essere formate da centinaia e centinaia di atomi. Un esempio fra tutti è la molecola del DNA, che contiene le informazioni che servono alla riproduzione delle cellule viventi.

Le molecole del corpo sono sempre in movimento. La loro velocità aumenta all'aumentare della temperatura e il movimento delle molecole è detto moto di agitazione termica. Per agitazione termica si intende il movimento continuo di cui sono dotati le molecole e gli atomi in tutti gli stati di aggregazione.

Stati di aggregazione

Per stati di aggregazione si intendono gli aspetti sotto cui può presentarsi la materia. Gli stati di aggregazione fondamentali sono tre: stato solido, stato liquido e stato gassoso. I tre stati di aggregazione dell’acqua sono:

- Stato solido (GHIACCIO) se la temperatura è al di sotto di 0° C.

-Stato liquido se la temperatura è compresa fra 0° C e 100° C.

-Stato gassoso se la temperatura è superiore a 100° C (cioè dopo che è avvenuta l’ebollizione).

Lo stato solido

Lo stato liquido

Lo stato gassoso

I passaggi di stato

Le sostanze e i materiali possono passare, per effetto delle variazioni di temperatura o di pressione, da uno stato fisico ad un altro. Il passaggio da uno stato di aggregazione a un altro è detto passaggio di stato.

La fusione e la solidificazione

Il passaggio dallo stato solido a quello liquido si chiama fusione, il passaggio inverso da liquido a solido si chiama solidificazione.

Ecco un esempio di fusione

*Devi preparare le crêpes e metti un pezzo di burro nella padella posta sul fornello acceso

* Dopo qualche secondo il burro si è liquefatto passando dallo stato solido allo stato liquido

Esempio di solidificazione:

* Se hai intenzione di preparare una granita versi nella vaschetta il liquido e poni il tutto in freezer

* Dopo un'ora se torni a controllare la vaschetta il contenuto si è solidificato

* Cosa è accaduto?

* Le molecole del liquido hanno diminuito la loro agitazione termica e hanno aumentato la loro forza di coesione a causa del raffreddamento

* Dallo stato liquido è passato allo stato solido

La vaporizzazione e la condensazione

Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso si chiama vaporizzazione, il passaggio inverso, da gassoso a quello liquido si chiama condensazione o liquefazione.

Ecco ora due esempi di vaporizzazione:

* Quando si stendono i panni dopo una/due ore a seconda del vento che tira saranno asciutti

* L’acqua contenuta nei panni bagnati è evaporata

* Quando mettiamo a bollire l’acqua per preparare la pasta dopo 10 minuti l’acqua bolle passando allo stato aeriforme

* Se il processo è lento si parla di EVAPORAZIONE

* Se è turbolento e veloce come nel secondo esempio si parla di EBOLLIZIONE

Un esempio di condensazione è:

* Consideriamo la pentola con l’acqua in ebollizione, poggiamo il coperchio sopra nel giro di qualche secondo si riempirà di goccioline.

* Cosa è accaduto?

* Il vapore a contatto con il metallo freddo del coperchio si è condensato tornando allo stato liquido

* Il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido è detto condensazione

La sublimazione e il brinamento

Il passaggio dallo stato solido a quello gassoso si chiama sublimazione, il passaggio inverso, dallo stato gassoso a quello solido si chiama brinamento. Quest'ultimo termine deriva dal fenomeno meteorologico della brina, ovvero la formazione del ghiaccio, in particolari condizioni ambientali, direttamente dal vapore acqueo senza passare attraverso la fase liquida.

Un esempio di sublimazione:

* Un es. di sublimazione è quello della naftalina utilizzata per allontanare le tarme che si nutrono dei vestiti di lana

* Nel giro di qualche mese le palline messe nell’armadio diventano più piccole perché sublimano, lasciando il caratteristico odore

Durante tutti i passaggi di stato la temperatura rimane costante.

L'energia fornita al corpo durante i passaggi di stato rompe i legami molecolari permettendo il passaggio da solido a liquido o da liquido a gassoso, ma non aumenta ulteriormente la temperatura del corpo.

In un diagramma in cui si registra la temperatura del corpo in funzione del tempo si evidenziano sperimentalmente dai tratti orizzontali, in cui la temperatura non cambia,e che corrispondono alla fusione e all'evaporazione.

I passaggi di stato, alla pressione atmosferica, avvengono a determinare temperature, caratteristiche delle varie sostanze, dette rispettivamente temperatura di fusione e temperatura di ebollizione.

Esaminiamo il caso specifico dell'acqua riportando su un grafico le temperature in funzione del tempo, otteniamo la cosiddetta curava di riscaldamento dell'acqua.

La curva di raffreddamento

Immaginiamo ora di raffreddare un recipiente pieno di vapore acqueo, se riportiamo in grafico i valori della temperatura in funzione del tempo, otterremo una curva inversa a quella di riscaldamento, come quella qui sotto.

Ebollizione e Riscaldamento

Per Ebollizione si intende il passaggio rapido di un corpo dallo stato liquido allo stato di vapore. L'ebollizione interessa tutta la massa del liquido ed è caratterizzata dal formarsi di bolle che, risalendo in superficie, sfuggono attraverso essa. La temperatura corrispondente prende il nome di "temperatura di ebollizione".

Per Evaporazione si intende il passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato aeriforme. Tale trasformazione avviene con acquisto di calore ed è un processo che avviene solo alla superficie del liquido ed è tanto più rapido quanto maggiore è la temperatura. L'ebollizione avviene solo ad una determinata temperatura detta appunto "temperatura di ebollizione".

Il calore latente

La materia può esistere in natura allo stato solido, liquido o gassoso.

Questi stati fisici sono strettamente legati al calore e la quantità di calore che occorre fornire per far avvenire il cambiamento di Stato varia da sostanza a sostanza ed è direttamente proporzionale alla massa della sostanza.Per questo motivo si introduce il concetto di calore latente.

Indichiamo con Q la quantità di calore necessaria a far cambiare di stato e con M la massa di una sostanza:

L'unità di misura del calore latente nel SI è il joule/kilogrammo (j/Kg)

I calori latenti di solidificazione e di condensazione sono però uguali numericamente ai valori dei calori latenti, rispettivamente, di fusione ed evaporazione.

Osserviamo ora in tabella i valori delle temperature di fusione e di vaporizzazione di alcune sostanze e i corrispondenti calori latenti.

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