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cambiamento di stato della materia

Ci sono tre stati/fasi della materia: solido, liquido e gassoso. La stessa materia può esistere in tutte e tre le fasi in diverse condizioni di temperatura e pressione. Ad esempio, il ghiaccio (solido) a 0° quando riscaldato diventa acqua (liquido) a 0°C, che per ulteriore riscaldamento si trasforma in vapore (gas) a 100°C. Pertanto, a una pressione atmosferica, l'acqua si trova in tutte e tre le fasi a temperature diverse.

Il processo di passaggio da uno stato all'altro a temperatura costante è chiamato cambiamento di fase . Viene portato a causa dello scambio di calore.
Il passaggio dallo stato solido a quello liquido è noto come fusione , mentre l'inversione del passaggio dallo stato liquido a quello solido è chiamato congelamento. Il passaggio da liquido a vapore è noto come vaporizzazione, mentre il passaggio inverso da gas a liquido è chiamato condensazione (o liquefazione). Il passaggio diretto da solido a vapore è chiamato sublimazione e il passaggio inverso da vapore a solido è chiamato deposizione.

FUSIONE E CONGELAMENTO

Il passaggio dalla fase solida a quella liquida per assorbimento di calore a temperatura costante è chiamato fusione. IL temperatura costante alla quale un solido si trasforma in liquido si chiama punto di fusione del solido. Il passaggio inverso dallo stato liquido a quello solido con la liberazione di calore a temperatura costante è chiamato congelamento e la temperatura alla quale un liquido si solidifica allo stato solido è chiamata punto di congelamento. L'energia termica viene assorbita durante la fusione e viene respinta durante il congelamento a temperatura costante.

La curva di riscaldamento del ghiaccio durante la fusione

Guarda il grafico qui sopra. La temperatura del ghiaccio rimane costante pari a 0 °C nella parte AB finché tutto il ghiaccio non si scioglie. Il calore fornito durante questo periodo viene utilizzato per sciogliere il ghiaccio. Successivamente, la temperatura dell'acqua formata dallo scioglimento del ghiaccio inizia a salire da 0 °C (parte BC).

VAPORIZZAZIONE O EBOLLIZIONE

Il passaggio dalla fase liquida a quella gassosa (o vapore) per assorbimento di calore a temperatura costante si chiama vaporizzazione. La particolare temperatura alla quale avviene la vaporizzazione è detta punto di ebollizione del liquido. Allo stesso modo, il passaggio dallo stato vapore allo stato liquido sulla liberazione di calore a temperatura costante è chiamato condensazione e la particolare temperatura alla quale avviene la condensazione è chiamata punto di condensazione del vapore.
L'energia termica viene assorbita a temperatura costante durante la vaporizzazione, mentre la stessa quantità di energia termica viene liberata durante la condensazione a quella temperatura per la stessa massa della sostanza.

La curva di riscaldamento dell'acqua

Nel punto A l'acqua è a temperatura ambiente (20°C) e poi con l'assorbimento di energia termica la temperatura dell'acqua sale continuamente nella parte AB dove si trova allo stato liquido. Al punto B inizia l'ebollizione e la temperatura non sale ulteriormente nella parte BC, l'energia termica viene continuamente assorbita e rappresenta l'ebollizione dell'acqua, essendo B il punto di ebollizione dell'acqua.

Perché aggiungiamo il sale durante la cottura dei legumi? Ciò si basa sul fatto che l'aggiunta di impurità aumenta il punto di ebollizione dell'acqua. Aggiungiamo sale durante la cottura dei legumi, l'acqua fornisce quindi sufficiente energia termica al suo contenuto prima dell'ebollizione e così la cottura diventa più facile e veloce. Perché ci vuole più tempo per cuocere il cibo in collina che in pianura? Ciò si basa sul fatto che il punto di ebollizione diminuisce con una diminuzione della pressione. Ad altitudini elevate come colline o montagne, la pressione atmosferica è bassa, quindi in questi luoghi l'acqua bolle ad una temperatura inferiore a 100 °C e quindi non fornisce l'energia termica necessaria al suo contenuto per cucinare. Quindi cucinare richiede molto più tempo in tali luoghi.

CALORE LATENTE E CALORE LATENTE SPECIFICO

Durante il cambiamento di fase di una sostanza che avviene a temperatura costante viene assorbita o liberata una notevole quantità di energia termica.   Poiché l'energia termica assorbita o liberata in un cambio di fase non si manifesta esternamente con alcun innalzamento o abbassamento di temperatura, si parla di calore latente.
Il calore latente, quando espresso per unità di massa di una sostanza, è chiamato calore latente specifico ed è indicato con il simbolo L.

L'unità SI del calore latente specifico è J kg ^-1 , altre unità comuni sono cal g ^-1 .
1 cal g ^-1 = 4,2 × 10 ³ J kg ^-1

Il calore di fusione è l'energia termica che deve essere prelevata per solidificare una certa massa o quantità di fluido o aggiunta per fondere una certa massa o quantità di solido. È anche chiamato il calore latente di fusione. Il calore latente di vaporizzazione è il calore consumato o scaricato quando la materia si disintegra, passando dallo stato fluido allo stato gassoso a una temperatura costante.
Il calore latente specifico di fusione del ghiaccio è l'energia termica necessaria per fondere una massa unitaria di ghiaccio a 0 °C in acqua a 0 °C senza alcuna variazione di temperatura. Il calore latente specifico di congelamento del ghiaccio è l'energia termica liberata/rilasciata quando una massa unitaria di acqua a 0 °C si congela in ghiaccio a 0 °C senza alcuna variazione di temperatura. Per il ghiaccio, il calore latente specifico di fusione è 336000 J kg ^-1 , il che significa che 1 kg di ghiaccio a 0 °C assorbe 336000 J di energia termica per convertirsi in acqua a 0 °C. Per la vaporizzazione, è la quantità di calore (540 cal g ⁻¹ ) che si prevede che trasformi 1 g di acqua in 1 g di vapore acqueo. Una misura simile di calore viene rilasciata nel movimento del palco durante l'accumulo di 1 g di vapore d'acqua in 1 g di acqua.

Spiegazione del calore latente di fusione sulla base del modello cinetico
Secondo il modello cinetico, le molecole in un solido vibrano attorno alla loro posizione media. L'energia totale di una molecola è la somma dell'energia cinetica (che dipende dalla temperatura) dovuta al suo moto e della sua energia potenziale (che dipende dalla forza di attrazione tra le molecole e dalla separazione tra di esse). Quando il solido si trasforma in liquido senza variazione di temperatura, la cinetica media delle molecole non cambia ma la separazione tra le molecole in media aumenta. È necessaria una certa energia per aumentare la separazione contro le forze attrattive tra le molecole (cioè, per l'aumento dell'energia potenziale delle molecole). Pertanto l'energia termica fornita durante la fusione viene utilizzata solo per aumentare l'energia potenziale delle molecole ed è chiamata calore latente di fusione.

Esempi

• La neve sulle montagne non si scioglie tutta in una volta: il motivo è che il ghiaccio ha un calore specifico latente di fusione elevato (336000 J kg ^-1 ). Si trasforma in acqua lentamente man mano che riceve energia termica dal sole. Se il calore latente fosse stato basso, tutta la neve si sarebbe sciolta in breve tempo ricevendo calore dal sole e ci sarebbero state inondazioni nei fiumi.
• Nei paesi freddi l'acqua di laghi e stagni non gela tutta in una volta: il motivo è che il calore specifico latente di fusione dei ghiacci è sufficientemente elevato, per cui l'acqua di laghi e stagni dovrà liberare una grande quantità di calore per l'ambiente circostante prima del congelamento. Lo strato di ghiaccio che si forma sulla superficie dell'acqua, essendo un cattivo conduttore di calore, impedirà anche la perdita di calore dall'acqua del lago, quindi non gelerà tutto in una volta.
• Le bevande si raffreddano più rapidamente aggiungendo un pezzo di ghiaccio rispetto all'acqua ghiacciata a 0 °C: questo perché 1 grammo di ghiaccio a 0 °C richiede 336 J di energia termica dalla bevanda per sciogliersi nell'acqua a 0 °C C. In questo modo le bevande liberano 336 J di energia termica in più a 1 grammo di ghiaccio a 0 °C, che a 1 grammo di acqua ghiacciata a 0 °C.

• La sudorazione provoca raffreddamento: la sudorazione è una funzione corporea salvavita che aiuta a regolare la temperatura corporea. Quando il clima è caldo o la temperatura corporea aumenta a causa dell'esercizio o della febbre, il sudore viene rilasciato attraverso i dotti della pelle. Contiene il 90% di acqua. Le gocce di sudore presenti sul tuo corpo utilizzano il calore del corpo per la transizione di fase da liquido a vapore. Ciò si traduce in un effetto rinfrescante che aiuta a mantenere la temperatura corporea e raffredda il corpo.
• Prestare sempre attenzione quando si apre il coperchio di una pentola quando l'acqua al suo interno sta bollendo: l'acqua ha un grande calore latente specifico di vaporizzazione. Quando il vapore si condensa sulla pelle del braccio, viene rilasciata una quantità molto elevata di calore latente, che provoca gravi ustioni.

Domanda 1: Quanta energia termica è necessaria per sciogliere 10 kg di ghiaccio? (Calore specifico latente del ghiaccio = 336 J g ^-1 )
Soluzione: m = 10 kg, L = 336 J g ^-1
Energia termica richiesta = mL = 10000 × 336 = 3360000 J

Domanda 2: La temperatura di 250 grammi di acqua a 40 °C viene abbassata a 0 °C aggiungendo del ghiaccio. Trova la massa di ghiaccio aggiunta. (Il calore latente specifico del ghiaccio è 336 J g ^-1 e la capacità termica specifica dell'acqua è 4,2 J g ^-1 K ^-1 )
Soluzione: energia termica persa dall'acqua = energia termica acquisita dal ghiaccio
La caduta di temperatura è di 40 − 0 = 40 °C.
Calore disperso dall'acqua = m⋅c⋅Δt = 250 × 4,2 × 40 = 42000 J
Calore guadagnato dal ghiaccio = 42000 = massa di ghiaccio × 336 ⇒ massa di ghiaccio = 42000 ∕ 336 = 125 g

Domanda 3: 10125J di energia termica fanno bollire 4,5 g di acqua a 100°c in vapore a 100°c, trova il calore latente del vapore in unità SI.
Soluzione: Calore latente del vapore L = 10125 J ∕ (4.5 × 10 ^-3 ) kg = 2250 × 10 ³ J∕kg