I passaggi di stato: fusione e solidificazione

Come sappiamo, in natura sono presenti tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso.

Lo stato fisico in cui si trova un corpo, però, più variare in base alla variazione di alcuni parametri che lo riguardano; tra questi vi sono la temperatura e la pressione.

Esaminiamo ora il modo in cui avvengono il passaggio dallo stato solido a quello liquido (fusione) e dalla stato liquido a quello solido (solidificazione).

 

La fusione

La fusione, come abbiamo detto in precedenza, è il passaggio di stato dallo stato solido a quello liquido; possiamo osservare questo fenomeno anche nel quotidiano, lasciando per esempio un cubetto di ghiaccio al sole: noteremo che nel giro di poco tempo, questo si sarà trasformato completamente in acqua.

 

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Il processo di fusione: l’energia viene fornita dall’ambiente.

 

La fusione di un corpo segue tre leggi ben precise:

  • ogni sostanza, ad una determinata pressione, ha una temperatura specifica di fusione;
  • durante la fusione del corpo, per tutta la durata del fenomeno, fino a quando tutto il corpo non ha terminato la trasformazione, la sua temperatura rimane costante;

Questo accade perché, inizialmente l’energia, o il calore, che viene fornito serve per aumentare la temperatura del corpo, e di conseguenza l’energia cinetica media delle sue particelle.

Quando si raggiunge la temperatura di fusione, però, le particelle hanno già raggiunto una determinata energia cinetica; questa è sufficiente da permettergli di iniziare a rompere il reticolo cristallino e di opporsi alle forze attrattive.

L’energia che stiamo fornendo, quindi, non servirà più ad aumentare la loro energia cinetica (per questo non aumenta la temperatura), ma verrà impiegata per rompere i legami chimici che tendono unite le particelle.

Ciò significa che, durante il processo di fusione, non aumenta l’energia cinetica della sostanza, ma la sua energia potenziale.

  • se il corpo di massa m si trova già alla temperatura di fusione, l’energia necessaria a fondere completamente il corpo è direttamente proporzionale alla sua massa e al numero di legami del reticolo cristallino;

In particolare, quest’ultima legge può essere espressa dalla seguente formula:

$ ∆E = L_f * m$

dove il simbolo $L_f$  indica una costante, che prende il nome di calore latente di fusione; questa quantità è numericamente uguale all’energia che si deve fornire per fondere completamente 1 kg della sostanza che stiamo considerando.

Nella maggior parte dei casi, questo passaggio di stato avviene con scambio di calore; di conseguenza, possiamo trovare l’energia ∆E scritta come Q.

 

La solidificazione

La solidificazione è il passaggio di stato inverso a quello della fusione; si tratta, quindi, del passaggio dallo stato liquido a quello solido.

Anche in questo caso, molto spesso, il passaggio di stato avviene quando vi è un cambiamento di temperatura; un esempio pratico consiste nel mettere in surgelatore una bottiglietta di acqua; dopo qualche ora l’acqua si sarà trasformata in ghiaccio, in seguito ad una diminuzione di temperatura.

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Il processo di solidificazione: l’energia viene ceduta all’ambiente.

 

Anche in questo caso, vediamo alcune leggi che riguardano la solidificazione:

  • per una qualunque sostanza, ad una determinata pressione, la solidificazione avviene ad una temperatura specifica, detta temperatura di solidificazione; questa è uguale in ogni caso alla temperatura di fusione della sostanza allo stato solido;
  • per la conservazione dell’energia, si ha che l’energia necessaria per fondere una sostanza deve essere uguale in modulo a quella che si deve fornire per solidificare una stessa quantità di quella sostanza;

In particolare, durante la solidificazione la sostanza cede energia all’ambiente; di conseguenza l’energia o il calore che si scambia avrà segno negativo:

$ ∆E = – L_f * m$

Come avviene per la fusione, anche nel caso della solidificazione durante il processo la temperatura della sostanza rimane invariata, fino alla completa solidificazione. In questo caso, infatti, l’energia che viene ceduta dal liquido non servirà più a diminuire l’energia cinetica media delle sue particelle;  servirà invece per permettere la ricostruzione del reticolo cristallino del solido.

 

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