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Transizioni di fase

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

Uno stato della materia è la configurazione in cui si trova un determinato materiale: può essere solido, liquido o gassoso.

Una transizione di fase (o "cambiamento di stato" o "passaggio di stato") è il processo di trasformazione dallo stato solido, liquido o gassoso in un altro di questi stati.

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!

Transizioni di fase esempi struttura molecolare solido liquido gas StudySmarterFig. 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

La solidificazione (o "congelamento") è il cambiamento di stato che si verifica quando una sostanza passa dallo stato liquido a quello solido.

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.

Fusione

La fusione è il cambiamento di stato che si verifica quando un solido passa allo stato liquido.

La fusione è l'opposto del congelamento. Riprendendo l'esempio precedente, quando il ghiaccio è sottoposto a temperature più elevate, l'energia cinetica delle molecole aumenta. Raggiunta la temperatura di fusione tipica della sostanza in questione, l’energia termica viene utilizzata per indebolire le forze intermolecolari: abbiamo così un liquido. In questo nuovo stato, le molecole sono hanno maggiore libertà di movimento rispetto allo stato solido. È importante notare che durante la fusione la temperatura rimane costante.

Evaporazione

L'evaporazione è il cambiamento di stato che si verifica quando un liquido si trasforma in un gas.

Quando una sostanza è in fase liquida, le molecole sono parzialemente vincolate dalle forze intermolecolari. Tuttavia, se la sostanza assorbe abbastanza energia, le molecole cominciano a liberarsi completamente dalla forza di attrazione e la sostanza passa uno stato gassoso. In questo stato, le molecole sono libere di muoversi e le interazioni tra di esse diventano trascurabili. Il punto in cui un materiale evapora è noto come punto di ebollizione.

Condensazione

La condensazione è il cambiamento di stato che si verifica quando un gas passa allo stato liquido.

La condensazione è l'opposto dell'evaporazione. Quando un gas entra in un ambiente a temperatura più bassa o incontra qualcosa a temperatura più bassa, l'energia delle molecole del gas inizia a essere assorbita dall'ambiente più freddo e le molecole perdono così energia. Man mano che le molecole perdono energia cinetica, il contributo delle forze di attrazione aumenta, finché il gas diventa un liquido.

Un buon esempio di questo fenomeno si ha quando un pezzo di vetro o uno specchio si appanna in una stanza calda. Quando il vapore colpisce il materiale più freddo, l'energia contenuta nelle molecole del vapore viene assorbita e trasferita allo specchio, riscaldandolo leggermente. Di conseguenza, il vapore si trasforma in acqua liquida che finisce direttamente sulla superficie fredda dello specchio.

Transizioni di fase condensazione StudySmarterFig. 2 - Un esempio di condensazione. Quando il vapore colpisce la finestra fredda, passa allo stato liquido.

Sublimazione

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!

La sublimazione è il cambiamento di stato che si verifica quando un solido si trasforma in un gas.

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.

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

La deposizione è l'opposto della sublimazione.

La deposizione è il cambiamento di stato che si verifica quando un gas si trasforma in un solido.

Un esempio è la formazione della brina: il vapore acqueo presente nell'aria in una giornata molto fredda incontrerà una superficie fredda, perderà rapidamente tutta la sua energia e cambierà stato diventando solido sotto forma di brina su quella superficie, senza essersi mai trasformato in acqua.

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.

Transizioni di fase diagramma transizioni di fase StudySmarterFig. 4 - Diagramma transizioni di fase.

Il punto triplo è uno stato in cui, per determinati valori di temperatura e pressione, coesistono, in equilibrio, la fase solida, liquida e gassosa.

Il punto triplo dell'acqua è 0,01 °C a 611,2 Pa.

Il plasma è uno stato della materia spesso trascurato, noto anche come quarto stato della materia. Quando si aggiunge abbastanza energia a un gas, questo si ionizza, andando a costituire un insieme di elettroni e ioni. La deionizzazione rappresenta il processo inverso: è il cambiamento di stato che si verifica quando un plasma si trasforma in un gas.

Transizioni di fase - Punti chiave

    • Un cambiamento di stato è il processo di trasformazione dallo stato solido, liquido o gassoso in un altro di questi stati.
    • Nei solidi i legami tra molecole sono forti e il loro movimento è limitato.
    • Nei liquidi i legami tra molecole sono più deboli: queste ultime tendono a scivolare l'una sull'altra.
    • Nei gas le interazioni tra molecole sono trascurabili.
    • Un cambiamento di stato avviene attraverso una perdita o un aumento di energia all'interno delle molecole del materiale, di solito attraverso un cambiamento di temperatura o di pressione.
    • I sei diversi cambiamenti di stato sono:
      • Congelamento: da liquido a solido.
      • Fusione: da solido a liquido;
      • Evaporazione: da liquido a gas.
      • Condensazione: da gas a liquido.
      • Sublimazione: da solido a gas.
      • Deposizione: da gas a solido.

References

  1. Fig. 1 - Solid liquid gas.svg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solid_liquid_gas.svg) by Luis Javier Rodriguez Lopez (https://en.wikipedia.org/wiki/User:Yupi666) is licensed by CC BY 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/)
  2. Fig. 4 - Transizioni di fase.svg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transizioni_di_fase.svg) by Anyfile (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:AnyFile) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en)

Domande frequenti riguardo Transizioni di fase

I diversi cambiamenti di stato sono:

  • Congelamento: da liquido a solido.
  • Fusione: da solido a liquido;
  • Evaporazione: da liquido a gas.
  • Condensazione: da gas a liquido.
  • Sublimazione: da solido a gas.
  • Deposizione: da gas a solido.

Una trasizione di fase (o "cambiamento di stato" o "passaggio di stato") è il processo di trasformazione dallo stato solido, liquido, o gassoso in un altro di questi stati. 

Il calore latente è una grandezza che descrive i passaggi di stato della materia e dipende sia dalla sostanza che dallo specifico cambiamento di fase. Si parla di calore latente di fusione nel caso di passaggio da solido a liquido.


Il calore latente di fusione è, quindi, la quanità di energia scambiata (sotto forma di calore) quando la sostanza passa dalla fase solida a quella liquida. 

Il calore latente è una grandezza che descrive i passaggi di stato della materia e dipende sia dalla sostanza che dallo specifico cambiamento di fase. Si parla di calore latente di fusione nel caso di passaggio da solido a liquido.


Il calore latente di vaporizzazione è, quindi, la quantità di energia scambiata (sotto forma di calore) quando la sostanza passa dalla fase liquida a fase gassosa. 

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