Passaggi di stato: aspetti termodinamici

Stati di aggregazione della materia e passaggi di stato

I passaggi di stato sono le trasformazioni fisiche attraverso le quali la materia cambia da uno stato di aggregazione all’altro, e ciò avviene a temperature specifiche per ciascuna sostanza.

Dipendenza dello stato di aggregazione dall’equilibrio molecolare

A una determinata temperatura, lo stato di aggregazione dipende dall’equilibrio che si stabilisce tra le forze di coesione molecolare esistenti e l’energia cinetica delle molecole, che varia con la temperatura. Ad esempio, un solido cristallino rimane solido finché l’agitazione termica non supera l’energia reticolare, momento in cui il solido fonde, e la temperatura in cui ciò avviene è nota come punto di fusione.

Equilibrio liquido-solido e pressione

L’equilibrio liquido-solido avviene a una temperatura specifica per una sostanza pura a pressione costante. La pressione ha un effetto minore sul punto di fusione e dipende dalla variazione di volume tra gli stati, essendo il volume del liquido di solito maggiore di quello del solido, un aumento di pressione tende ad alzare il punto di fusione.

Passaggi di stato solido-liquido

Nel caso dei passaggi di stato da solido a liquido, essi dipendono dall’energia cinetica delle molecole. Il punto di ebollizione è la temperatura in cui la pressione del vapore in equilibrio con il liquido uguaglia la pressione atmosferica.

Equazione quantitativa del passaggio di stato solido-liquido

L’equazione che quantifica il passaggio di stato solido-liquido è data da ln T1/T2 = (Vl – Vs )(p2 – p1) / ∆Ht, dove Vl è il volume di una mole di liquido, Vs è il volume di una mole di solido e ∆Ht è il calore latente di fusione.

Calore latente di fusione e pressione esterna

Il calore latente di fusione rappresenta l’energia necessaria per mutare lo stato fisico di una sostanza, come ad esempio quella richiesta per rompere la struttura cristallina di un solido. L’effetto della pressione esterna sul punto di fusione nei passaggi di stato è minimo se la variazione di volume è piccola, e se il sistema è monovariante.

Questo articolo ha approfondito i concetti dei passaggi di stato della materia, le variazioni di temperatura e pressione che influenzano tali transizioni, e il ruolo del calore latente di fusione in tali processi.

Equilibri di Passaggi di Stato: Solido-Vapore e Liquido-Vapore

Durante i passaggi di stato come solido-vapore e liquido-vapore, la temperatura rimane costante nonostante il continuo apporto di calore, come evidenziato dal grafico. In questi casi, la pressione esterna ha un influsso significativo sul punto di ebollizione e sulla sublimazione, poiché il volume di una mole di vapore è molto maggiore rispetto a quello di una mole di liquido.

La variazione della tensione di vapore tra due temperature T1 e T2 (dove T2 > T1) per un liquido è regolata dall’equazione di Clausius-Clapeyron, data da:

ln p2/p1 = ∆Hv/R( 1/T2 – 1/T1)

Dove ∆Hv rappresenta il calore necessario per trasformare una mole di liquido in vapore (calore di evaporazione). Mentre per il processo di sublimazione si ha:

ln p2/p1 = ∆Hs/R( 1/T2 – 1/T1)

Dove ∆Hs è il calore di sublimazione, ovvero la quantità di calore necessaria per trasformare una mole di solido in vapore, e R è la costante dei gas.

Il calore di sublimazione è la somma dei calori di fusione e di evaporazione, poiché gli stati iniziali (solido) e finali (vapore) sono gli stessi, indipendentemente dall’ordine in cui avviene la fusione ed evaporazione del liquido. La curva della tensione di vapore in funzione della temperatura, rappresentata nella figura, fornisce informazioni cruciali sui punti di ebollizione, indicando la temperatura alla quale il liquido inizia a bollire quando la tensione di vapore equivale alla pressione esterna sul liquido.