Transizioni di fase

Se avete mai fatto una corsa o un giro in bicicletta in condizioni di gelo, potreste aver notato che piccoli pezzi di ghiaccio cominciare a formarsi nella vostra borraccia. Ciò che è accaduto è stato un cambiamento di stato dell'acqua nella borraccia! Alcune parti dell'acqua sono passate dallo stato liquido a quello solido a causa del freddo. In questo articolo spiegheremo quali sono i cambiamenti di stato e come si verificano.

Cambiamento di stato: significato

I materiali cambiano stato a seconda dell'energia che ricevono o perdono. Con l'aumento dell'energia in un materiale, l'energia cinetica media degli atomi inizia ad aumentare, facendo vibrare maggiormente gli atomi e allontanandoli fino a rendere possibile una transizione di fase. Il fatto che la transizione di stato dipenda dall'energia cinetica delle molecole rende questo processo fisico, piuttosto che chimico, e non importa quanta energia cinetica sia immessa o sottratta al materiale, la sua massa si conserverà sempre e il materiale rimarrà sempre lo stesso.

Mentre nei solidi le molecole sono legate l'una all'altra da un legame forte, le molecole dei liquidi hanno un legame più allentato tra loro; sono ancora legate, ma non sono così rigide. Questo consente loro un più ampio grado di movimento: scivolano l'una sull'altra. Nei gas, questo legame è completamente rotto e le singole molecole sono in grado di muoversi in modo completamente indipendente l'una dall'altra. Dai un'occhiata alla figura sottostante per avere un'idea delle differenze tra le strutture molecolari nelle fasi solida, liquida e gassosa!

Fig. 1 - Un esempio della struttura molecolare di un solido, di un liquido e di un gas. Maggiore è l'energia cinetica del materiale, meno forte è il legame tra le molecole.

• Una trasnizione di fase avviene attraverso una perdita o un aumento di energia all'interno delle molecole del materiale, di solito attraverso una variazione di temperatura o di pressione.

Di seguito è riportato un elenco di tutti i cambiamenti di stato che dobbiamo conoscere, con una breve spiegazione di ciascuno di essi.

Solidificazione

Un buon esempio è quello dell'acqua che si trasforma in ghiaccio. Quando la temperatura diminuisce, si verifica una diminuzione dll'energia interna finché ogni molecola d'acqua non ha più l'energia per muoversi intorno alle altre molecole d'acqua. Una volta che ciò si verifica, le molecole formano una struttura rigida che viene mantenuta tale dall'attrazione che si verifica tra ciascuna molecola: abbiamo così il il ghiaccio. Il punto in cui si verifica il congelamento è noto come punto di congelamento. In questo stato, il moto delle molecole è ridotto a un moto vibrazionale.

La sublimazione è diversa dagli altri cambiamenti di stato che abbiamo esaminato. Di solito, una sostanza cambia fase "uno stato alla volta": da solido a liquido a gas, o da gas a liquido a solido. Tuttavia, la sublimazione salta il passaggio intermedio e fa sì che un solido si trasformi in un gas senza doversi trasformare in un liquido!

Ciò avviene grazie all'aumento dell'energia all'interno del materiale, fino al punto in cui le forze di attrazione tra le molecole si interrompono del tutto, senza che vi sia una fase intermedia di liquido. In generale, la temperatura e la pressione devono essere molto basse perché ciò avvenga.

Fig. 3 - Processo di sublimazione: il ghiaccio secco si trasforma da solido direttamente in gas.

Diagramma delle transizioni di fase

La figura seguente mostra l'intero processo che mette in relazione tutti i cambiamenti di stato, da solido a liquido a gas e viceversa.

Fig. 4 - Diagramma transizioni di fase.