1.1.5 I cambiamenti di stato

In natura la materia si presenta macroscopicamente in tre stati di aggregazione differenti: solido, liquido, gassoso. I cambiamenti di stato sono: fusione/solidificazione, vaporizzazione/condensazione, sublimazione/brinamento.

Nei gas, liquidi e solidi l'energia interna è rispettivamente positiva, quasi nulla, negativa.

Fusione e solidificazione. Se portiamo un solido ad una certa temperatura critica di fusione, esso inizia a fondersi, mantenendo Tc costante. Alla stessa temperatura viceversa si solidifica. L'energia assorbita/ceduta dal corpo è proporzionale alla massa m, dopo aver definito il calore latente di fusione con Lf, per cui

ΔE = ± Lf m

Dal punto di vista microscopico tale energia non fa aumentare/diminuire l'energia cinetica media dei "grani" di materia di cui è composto il corpo, ma ha l'effetto di sciogliere gli stretti legami che ci sono tra i "grani". Per questo la temperatura rimane costante.

Vaporizzazione e condensazione. Con un comportamento simile al precedente, la temperatura di ebollizione Te permette al corpo di iniziare la vaporizzazione (calore latente Lv) o la condensazione:

ΔE = ± Lv m

La vaporizzazione avviene in realtà anche per evaporazione, fenomeno che avviene a tutte le temperature e causa il raffreddamento del liquido (le particelle vicine alla superficie, con velocità maggiori e rivolte verso l'alto sfuggono ai legami di coesione, e l'energia cinetica media diminuisce).

Si chiama pressione di vapore saturo la pressione che il vapore esercita sulle pareti del recipiente che lo contiene quando l'evaporazione del liquido da cui esso proviene smette di avvenire. La temperatura di ebollizione di un liquido è quella per cui la pressione di vapore saturo è uguale alla pressione atmosferica.

Per condensare un vapore possiamo comprimerlo isotermicante o raffreddarlo isobaricamente. Per ogni sostanza esiste una temperatura critica al di sopra della quale è impossibile farla condensare per mezzo di una compressione (in questi casi si definisce tale sostanza un gas reale). Il diagramma di fase p-V descrive precisamente le regioni di gas, vapore, liquido e anche la regione intermedia liquido+vapore.

Gas reali. Per un gas reale l'energia potenziale (negativa) è uguale al lavoro compiuto dalle forze di attrazione molecolare quando si disgrega il sistema, portando tutte le molecole lontane l'una dall'altra. L'energia interna di un gas reale è dunque:

U = K + Epot

Le molecole di un gas di massa M reale non possono muoversi in tutto lo spazio a disposizione ma solo nel volume lasciato libero dalle altre molecole. Per questo l'equazione di stato, dopo essere riscritta usando il volume specifico Vs=V/M e la massa molare mM=M/n, viene modificata con l'equazione di stato di van der Waals per gas reali (si aggiunge la pressione  a/Vs2  dovuta alle interazione e il covolume b occupato dalle molecole per unità di massa):

(p + a / Vs2) (Vs - b) = (R / mM) T

 

Lo studio del vapore d'acqua nell'atmosfera ci permette infine di definire l'umidità relativa dell'aria (misurabile con l'igrometro) per mezzo del rapporto tra la pressione del vapore misurata e la pressione del vapore saturo nelle stesse condizioni.

Hr = pacqua / ps

Bassa umidità e presenza di vento favoriscono l'evaporazione del sudore e procurano la sensazione di fresco; alta umidità e assenza di vento viceversa la ostacolano e procurano sensazione di caldo.

Sublimazione o brinamento. Avviene per sostanze quali lo iodio e la canfora, e per le altre sostanze in particolari condizioni ambientali.