Sistemi a uno e a più componenti: Caratteristiche e Transizioni di Fase
Le fasi in un sistema termodinamico devono essere omogenee, fisicamente distinte e meccanicamente separabili. La definizione di una fase secondo Gibbs implica un’omogeneità non solo nella composizione chimica, ma anche nello stato fisico. Anche se deve essere omogenea, una fase non necessariamente deve essere continua; quindi, una singola fase può esistere sotto forma di cristallo o di gocce. I sistemi costituiti da più di una fase sono considerati eterogenei. Il numero di fasi presenti in un sistema dipende dalla natura chimica dei costituenti e da variabili quali la composizione, la pressione e la temperatura.
Sistemi a un componente
I sistemi a un solo componente possono esistere in una o più fasi. Un esempio è rappresentato da un sistema costituito da ghiaccio, acqua e vapore acqueo. Nonostante sia composto da un solo componente in tre stati di aggregazione, presenta tre fasi omogenee e meccanicamente separabili. Allo stesso modo, una miscela di zolfo rombico e monoclino costituisce due stati allotropici dello zolfo, entrambi appartenenti allo stesso componente ma con due fasi separabili.
Sistemi a più componenti
Sistemi a più componenti possono anche esistere in una o più fasi. Anche se le miscele di gas costituite da più componenti presentano una sola fase, cioè i gas sono sempre miscibili e quindi non possono essere meccanicamente separati. Le soluzioni formano un sistema omogeneo e non possono essere separate meccanicamente, come nel caso di una miscela di benzene e toluene che, pur essendo costituita da due componenti, esibisce un’unica fase a qualsiasi composizione. Altre combinazioni di liquidi non miscibili tendono a stratificarsi in funzione della loro densità, dove ciascuno strato costituisce una fase differente. Inoltre, le miscele di solidi possono essere miscibili o immiscibili, come nel caso dell’ottone che mostra una transizione da una fase singola a due fasi distinte in base alla concentrazione di zinco.
Transizioni di fase
Le transizioni di fase possono essere identificate da discontinuità in alcuni valori delle loro proprietà, come ad esempio il volume, l’entalpia, l’entropia, la densità, l’indice di rifrazione, ecc. Durante la transizione, le due fasi si trovano all’equilibrio e i loro potenziali μ sono uguali, non creando alcuna discontinuità del potenziale chimico. Le transizioni di fase per cui la derivata prima del potenziale chimico rispetto alla temperatura è discontinua sono classificate come transizioni del primo ordine.
Calore latente
Le transizioni del primo ordine includono la fusione dei solidi e l’ebollizione dei liquidi, durante le quali l’entalpia H varia di una quantità finita chiamata calore latente. In una transizione di primo ordine, il calore latente corrisponde alla variazione di energia interna associata alla transizione di fase. Questo calore non fa variare la temperatura ma viene usato dal sistema per un cambiamento di stato. Mentre, in una transizione del secondo ordine detta transizione di fase continua, non si ha rilascio o assorbimento di calore.
Infine, è importante sottolineare che le proprietà termodinamiche di una sostanza variano bruscamente in una transizione del primo ordine, come nel caso della densità, mentre nelle transizioni continue si verificano fluttuazioni delle grandezze caratteristiche del sistema.