CAMBIAMENTI DI STATO
CAMBIAMENTI DI STATO E TEMPERATURA
Adesso descriviamo brevemente le proprietà principali delle varie trasformazioni di stato.
LIQUEFAZIONE E SOLIDIFICAZIONE
La liquefazione e la solidificazione avvengono sempre alla stessa temperatura, che ha il nome di temperatura di fusione (Tfus) o di temperatura di solidificazione (Tsol). Per l'acqua essa è 0°C. La temperatura di fusione (o solidificazione) per alcune sostanze è segnata nella tabella tab. 6.1 pag. 126 del vostro libro.
EBOLLIZIONE
Anche l'ebollizione avviene ad una temperatura fissata
(temperatura di ebollizione, Teb).
La differenza con la fusione è che tale temperatura dipende
dalla pressione esercitata sul liquido, diminuendo al diminuire
di tale pressione. La Teb di alcune sostanze, alla pressione di 1 atm,
è segnata nella tabella 6.2, pag. 129. Nella tabella 6.3 pag.
131 è indicato come cambia la temperatura di ebollizione dell'acqua
al cambiare della pressione.
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| L'acqua contenuta dentro la pompa a vuoto già bolle! (si può vedere il vapore condensato sulla parete della campana) |
E' evidente che l'acqua (e un liquido in generale) può esistere solo nell'intervallo di temperature fra Tsol e Teb; al di sotto di Tsol il liquido congela, al di sopra di Teb esso bolle e rapidamente si trasforma in vapore. Perciò, alla pressione di 1 atm l'acqua può esistere solo fra 0°C e 100°C; se però la pressione dovesse diminuire (ad esempio, andando in alta montagna o mettendo l'acqua sotto una campana a vuoto come fatto in classe) anche Teb diminuisce (vedi tabella 6.3 pag. 131) e perciò l'intervallo di temperatura entro il quale l'acqua può esistere si restringe. (Non hai chiaro questo concetto? Allora guarda l'esempio che ti fa il Professore!)
A basse pressioni non c'è più liquido!
Se la pressione dell'acqua scende a 600 Pa o meno allora essa inizia a bollire già a 0°C (vedi tab. 6.3 pag 131). Perciò Teb=Tsol e non c'è più un intervallo dove l'acqua possa esistere! Infatti, per T<0°C ho ghiaccio, per T>0°C ho vapore; per T=0°C avrei anche dell'acqua ma la più piccola variazione di temperatura la trasformerebbe subito in ghiaccio o gas.
Dunque, abbiamo scoperto un'importante proprietà dell'acqua che è però comune a tutte le sostanze: un liquido può esistere solo per pressioni maggiori di un valore minimo. La pressione minima che permette l'esistenza di un liquido è quella che lo fa bollire alla temperatura di solidificazione (cioè quella per cui si ha Teb=Tsol).
Ogni sostanza ha la propria pressione minima: per l'acqua è 600 Pa, per l'anidride carbonica è 518.000 Pa (circa 5,1 atm), per l'idrogeno è 7.042 Pa, per lo Zolfo è 1,3 Pa, ecc.
Nota bene: se la pressione scende sotto tale valore minimo il solido non può più trasformarsi in liquido ma diventa gas sublimando (affronteremo fra un po' questa trasformazione).
EVAPORAZIONE
L'evaporazione avviene sempre finché c'è del liquido. Essa aumenta all'aumentare della temperatura. Quando la temperatura giunge a Teb l'evaporazione si trasforma in ebollizione.
SUBLIMAZIONE
Per sublimazione si intende sia la trasformazione diretta da solido a gas (sublimazione del solido) sia la trasformazione diretta da gas a solido (sublimazione del gas). E' uno sfortunato caso dove con lo stesso nome ci si riferisce a due fenomeni distinti, totalmente diversi fra loro. Entrambi questi processi saranno descritti in seguito.
CONDENSAZIONE E SUBLIMAZIONE DA GAS A SOLIDO
Proprietà generali
La condensazione e la sublimazione del gas sono due fenomeni dovuti alla stessa causa e perciò li trattiamo insieme. La condensazione del vapore dipende da due fattori: la densità e la temperatura. A lezione abbiamo detto (e lo abbiamo visto in laboratorio) che la massima densità che un gas può raggiungere (densità di saturazione) dipende dalla temperatura, aumentando con essa.
A lezione vi ho dato la tabella che mostra come cambia la densità di saturazione del vapor d'acqua al variare temperatura. Se una certa massa di vapore dovesse raggiungere la densità di saturazione - perché viene compressa o perché viene raffreddata- il gas inizia a condensare.
Condensazione in liquido o in solido
La condensazione di un vapore può generare
o un liquido o un solido, a seconda della temperatura del vapore.
Se essa è maggiore di 0°C il vapore condensa in acqua(condensazione
vera e propria) formando nebbia o rugiada; se invece la temperatura
è minore di 0°C il vapore ghiaccia subito formando brina
senza passare dalla fase liquida ma trasformandosi direttamente da gas
in solido (sublimazione o brinazione).
SUBLIMAZIONE DA SOLIDO A GAS
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| Foto del nucleo della cometa di Halley: sot-toposta ai raggi del Sole, la sua superficie, com-posta per lo più da ghiaccio, si riscalda so-pra 0°C e sublima poi-ché la pressione dello spazio interplanetario è praticamente zero e dun-que Teb=0°C. |
La sublimazione da solido a gas si ha quando la temperatura è maggiore di Tsol e la pressione esterna è così bassa che la temperatura di ebollizione è uguale a quella di solidificazione. Vediamo perché. Quando la temperatura di un solido supera Tsol esso inizia a sciogliersi. Ma se Teb=Tsol dire che la temperatura è maggiore di Tsol significa anche dire che essa è maggiore di Teb! E cosa fa un liquido se la sua temperatura è uguale o supera la temperatura di ebollizione? Bolle immediatamente! Dunque, in questo caso il solido non riesce a formare il liquido ma si trasforma direttamente in gas.
Per sapere se un solido può sublimare bisogna conoscere la temperatura alla quale Teb=Tsol. Per l'acqua tale pressione è 600 Pa e perciò il ghiaccio d'acqua non può sublimare sulla Terra se non viene posto sotto una campana a vuoto che abbassi la pressione dell'aria da 100.000 Pa a 600 Pa o meno. L'anidride carbonica solidifica a -60°C. La sua Teb diventa uguale a Tsol (cioè Teb=-60°C) per pressioni uguali o minori di 5,1 atm. Dunque, un frammento di anidride carbonica ghiacciata (il cosiddetto ghiaccio secco) posto all'aria aperta non si scioglie ma sublima.
Approfondiremo la sublimazione solido -> gas al paragrafo successivo.
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