Vaporizzazione E Condensazione

[Channing Rupnick]

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La vaporizzazione e la condensazione sono passaggi di stato che riguardano lo stato liquido e quello gassoso; in particolare, si ha vaporizzazione quando una sostanza allo stato liquido passa a quello gassoso, e condensazione quando un gas passa alla fase liquida.

Cos come avviene pera la fusione e la solidificazione, anche i passaggi di stato che riguardano liquidi e gas possono avvenire a causa di una differenza di temperatura, cio attraverso una passaggio di calore.

quando questa temperature viene raggiunta, il calore fornito non andr pi ad aumentare la temperatura, ma servir per rompere i legami tra le particelle del liquido, permettendogli, cos, di passare allo stato gassoso.

L'entalpia di vaporizzazione (o entalpia di ebollizione) una propriet fisica di ogni sostanza, definita come il calore richiesto per vaporizzare una mole di sostanza al suo punto di ebollizione a pressione standard (101.325 Pa). L'entalpia di ebollizione viene espressa nel SI in kJ/mol.

Viene anche utilizzato il termine di entalpia di condensazione per il processo inverso all'entalpia di vaporizzazione. Questo definito come calore rilasciato, quando una mole di sostanza, condensa al suo punto di ebollizione a pressione standard.

L'entalpia di ebollizione o calore di vaporizzazione dell'acqua di circa 2260 kJ/kg equivalente a 40,8 kJ/mol. Questo molto elevato: cinque volte l'energia necessaria per scaldare l'acqua da 0 a 100 gradi Celsius.

La materia, se sottoposta a variazione di temperatura e pressione, subisce una trasformazione da uno stato fisico ad un altro, chiamato passaggio di stato, una trasformazione fisica e non chimica, perch non viene alterata la composizione della sostanza, ma solo il modo in cui sono legate le particelle.

Quando un corpo riscaldato, l'energia delle particelle aumenta fino a superare le forze di coesione, determinando il passaggio di stato; viceversa, raffreddandolo, le particelle diminuiscono il loro movimento e si fanno pi sentire le forze di coesione.

Per quanto riguarda la pressione, un suo aumento favorisce il passaggio da vapore a liquido e da liquido a solido, perch si ha l'avvicinamento delle particelle e quindi l'aumento delle forze di coesione. Al contrario, una diminuzione di pressione favorisce i passaggi di stato opposti: fusione, vaporizzazione, sublimazione.

Attraverso la somministrazione di calore, le particelle vincolate di un solido si muovono sempre pi rapidamente fino ad allontanarsi e scorrere le une sulle altre, ottenendo la fusione del solido. Mediante la sottrazione di calore si ha il processo opposto di solidificazione, chiamato cristallizzazione se riguarda una massa di magma fluido, in cui le particelle progressivamente rallentano fino ad assumere una posizione fissa. Ogni sostanza ha un proprio punto di fusione (che coincide con quello di solidificazione): temperatura o punto di fusione e di solidificazione.

Durante il processo di fusione, quando coesistono i due stati, continuando a fornire calore (calore latente di fusione) la temperatura non aumenta finch non si completato il passaggio di stato. Questo si verifica perch l'energia fornita impiegata per rompere i legami tra le particelle e non per aumentarne la velocit. Analogamente, durante il raffreddamento la temperatura non diminuisce perch la formazione dei legami libera energia (calore latente di solidificazione), pari a quella assorbita durante il processo di fusione, che compensa il raffreddamento.

Fornendo ulteriore calore, le particelle si muovono cos rapidamente fino a rompere definitivamente i legami, allontanandosi reciprocamente. L'energia termica necessaria per avere il passaggio di stato si chiama calore latente di vaporizzazione; la stessa energia viene restituita quando si ha il passaggio inverso (calore latente di condensazione).

La vaporizzazione comprende due fenomeni distinti.

L'ebollizione interessa tutta la massa del liquido e avviene per diretta somministrazione di calore. Ogni sostanza ha una specifica temperatura o punto di ebollizione, che dipende dalla pressione atmosferica: pi alta la pressione e pi aumenta la temperatura di ebollizione; infatti, nella pentola a pressione l'acqua bolle a 110C perci i cibi si cuociono molto pi rapidamente, mentre in montagna l'acqua bolle prima ma ad una temperatura pi bassa perci pi difficile cucinare.

L'evaporazione riguarda l'allontanamento spontaneo e graduale delle particelle che si verifica sulla superficie del liquido ad una temperatura inferiore a quella di ebollizione. Questo si verifica perch alcune particelle possiedono maggiore energia cinetica di altre, inoltre, le particelle superficiali risentono meno delle forze di coesione per cui possono pi facilmente allontanarsi. Per questo motivo l'evaporazione maggiore quando la temperatura pi alta, quando la superficie pi ampia e quando la pressione minore. Poich ad allontanarsi sono le particelle con energia cinetica pi alta, il liquido subisce un raffreddamento.

Anche per il fenomeno inverso si hanno due termini. Si usa il termine condensazione quando il passaggio di stato avviene mediante raffreddamento, mentre la liquefazione necessita un aumento di pressione superiore a quella ambientale. In questo caso, l'avvicinamento forzato delle particelle comporta il prevalere delle forze coesive. Per alcuni gas non basta il solo aumento di pressione ma serva anche una diminuzione della temperatura.

La sublimazione il passaggio diretto da solido a vapore. La naftalina presenta questo fenomeno a temperatura e pressione ordinarie, mentre per altre sostanze favorita da un aumento di temperatura e una diminuzione di pressione.

Il passaggio diretto da vapore a solido si chiama brinamento e si verifica quando il vapore viene a contatto con una superficie molto fredda, come avviene per la formazione della brina.

La condensazione il passaggio di una sostanza dallo stato di vapore allo stato liquido; il passaggio inverso dell'evaporazione; si tratta quindi di un passaggio di stato che avviene per sottrazione di calore ad opera di una sorgente esterna.

Affinch la condensazione possa avvenire, necessario che il vapore sia saturo, ovvero che sia in equilibrio con il proprio liquido; un vapore surriscaldato, ad esempio, pu condensarsi solo dopo aver raggiunto, tramite raffreddamento, questa condizione.

Il valore della pressione di un vapore saturo nota come tensione di vapore ed il valore della pressione a cui avviene il passaggio di stato: essa una grandezza fisica che dipende della sola temperatura.

Raffreddando i vapori di una sostanza, l'energia cinetica media delle sue particelle diminuisce, con il che ad un certo punto le loro mutue forze di coesione prevalgono, e la sostanza inizia a passare allo stato liquido.

Durante il processo della liquefazione la temperatura rimane costante, in quanto il calore che viene sottratto dal sistema quello che viene liberato nella formazione del legame fra le particelle allo stato liquido (energia di legame).

Quindi, ad esempio, sottraendo calore e quindi condensando del vapore acqueo alla pressione di 1 atm, per tutta la durata del processo e sino a quando l'ultima piccola frazione di vapore non condensata, la temperatura rimane costante a 100C. Solo una volta ultimata la condensazione, continuando a sottrarre calore al sistema, la temperatura dell'acqua allo stato liquido inizia a calare.

Il calore sottratto durante la condensazione viene detto "latente" e corrisponde, come detto in precedenza, al calore che viene liberato nella formazione del legame fra le particelle che passano allo stato liquido.

Mentre un vapore puro condensa ad una determinata temperatura che rimane costante per tutto il processo, le miscele di vapori condensano in un intervallo di temperature: si separano prima i componenti meno volatili, quindi i pi volatili. Tale fenomeno sfruttato nella condensazione frazionata per separare i componenti della miscela di vapori.

La temperatura di condensazione di una sostanza (come ad esempio l'acqua) dipende dalla pressione ; pi in particolare all'aumentare della pressione che grava sul sistema, la temperatura di condensazione aumenta.

La condensazione non da confondere con la liquefazione che il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido e che avviene solo a determinate pressioni e temperature. Quindi, se abbiamo del vapore acqueo diremo che il vapore condensa, mentre se avremo dell'azoto, che a differenza del vapore acque un gas e non un vapore, diremo che liquefa.

Il calore latente di condensazione la quantit di energia liberata da 1 g di sostanza in fase di condensazione. Nel Sistema Internazionale si misura in J/kg. una propriet intensiva della materia e caratteristica per ogni sostanza pura.

Il calore latente di condensazione numericamente uguale ma di segno opposto al calore latente di vaporizzazione. Il calore latente di condensazione del vapore acqueo corrisponde a - 2260 j/g = -540 cal/g.

La legge fondamentale della termologia ci insegna che fornendo (o sottraendo) calore Q ad un corpo di massa m, la sua temperatura si innalza (o si abbassa) passando da un valore iniziale t1 a un valore finale t2 secondo l'equazione:

Questa legge per non sempre valida; in particolare nei passaggi di stato (ebollizione, fusione, solidificazione, ecc.) fornendo (o sottraendo) calore la temperatura del corpo, a differenza di quanto detto in precedenza, rimane costante.

Nel caso della fusione del ghiaccio, ad esempio, la temperatura resta costante per tutto il processo anche se il sistema continua ad assorbire energia dall'ambiente sotto forma di calore. Tale quantit di energia chiamata calore latente di fusione.

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