Cambiamenti di stato: passaggi e calore latente

Quando si scalda del ghiaccio fino a farlo bollire, la sua temperatura non sale in modo uniforme: ci sono dei tratti in cui, pur continuando a fornire calore, il termometro resta fermo. Sono i cambiamenti di stato, i passaggi tra solido, liquido e gas. Capire perché la temperatura si blocca durante un passaggio — e dove va a finire l’energia fornita — è uno dei concetti più eleganti e utili della chimica fisica.

Vediamo i nomi di tutti i passaggi di stato, che cosa sono il calore latente e quello sensibile, e perché la temperatura resta costante mentre una sostanza fonde o bolle.

I nomi dei passaggi di stato

Ogni transizione tra due stati ha un nome preciso. Dal solido al liquido è la fusione; dal liquido al solido la solidificazione. Dal liquido al gas è la vaporizzazione (che comprende l’evaporazione e l’ebollizione); dal gas al liquido la condensazione. C’è poi il passaggio diretto solido→gas, la sublimazione, e quello inverso gas→solido, il brinamento (o deposizione). I passaggi che assorbono calore (fusione, vaporizzazione, sublimazione) si chiamano endotermici; quelli che lo rilasciano (solidificazione, condensazione, brinamento) esotermici.

Calore sensibile e calore latente

Quando si fornisce calore a una sostanza possono succedere due cose diverse. Se la temperatura sale, si parla di calore sensibile: l’energia aumenta l’agitazione termica delle molecole, e il termometro lo «sente». Ma durante un passaggio di stato l’energia fornita non scalda: serve interamente a vincere le forze che tengono unite le molecole. Questo calore, che non cambia la temperatura, si chiama calore latente (cioè «nascosto»).

Quanto calore serve: la formula

Il calore necessario per far cambiare stato a una massa di sostanza, senza variazione di temperatura, è proporzionale alla massa stessa attraverso il calore latente specifico L:

Q = m · L  (calore scambiato in un passaggio di stato)

dove Q è il calore, m la massa e L il calore latente (di fusione o di vaporizzazione a seconda del passaggio). Per l’acqua il calore latente di vaporizzazione è molto maggiore di quello di fusione: serve molta più energia per trasformare l’acqua in vapore che per fonderla, perché nel passaggio a gas le molecole vanno separate completamente, mentre nella fusione restano comunque a contatto.

Perché la temperatura resta costante

Ecco il punto che più sorprende. Mentre il ghiaccio fonde, anche se continuiamo a riscaldarlo, la temperatura resta a 0°C finché tutto il ghiaccio non è diventato acqua. Lo stesso vale durante l’ebollizione, a 100°C per l’acqua a pressione ordinaria. Il motivo è che l’energia fornita non serve ad aumentare la velocità delle molecole (che misurerebbe la temperatura), ma a rompere le forze intermolecolari che le tengono unite. Finché ci sono ancora legami da rompere, tutta l’energia va lì: la temperatura non può salire. Solo quando il passaggio è completo e tutte le molecole sono nello stato nuovo, l’ulteriore calore torna a scaldare e il termometro riprende a salire.

Per questo la curva di riscaldamento di una sostanza ha la forma a gradini: tratti in salita (calore sensibile, la temperatura cresce) alternati a tratti orizzontali (calore latente, la temperatura è bloccata sul passaggio di stato). I plateau corrispondono esattamente alla fusione e all’ebollizione.

Solidificazione e condensazione: l’energia torna indietro

I passaggi inversi funzionano allo specchio. Quando l’acqua solidifica a 0°C, le molecole si riavvicinano e si legano: questo rilascia il calore latente nell’ambiente, ed è un processo esotermico. La temperatura resta costante anche qui, perché il calore ceduto compensa esattamente quello che servirebbe per raffreddare. La stessa energia che era stata «nascosta» nella fusione viene restituita nella solidificazione: il calore latente è recuperabile, ed è ciò che sfruttano molti sistemi di accumulo termico.

I sei passaggi a confronto

La tabella raccoglie tutte le transizioni con il loro nome e il segno dello scambio di calore:

Si nota la simmetria: ogni passaggio endotermico ha il suo inverso esotermico, che restituisce la stessa quantità di calore latente. Conoscere questi nomi e il verso dello scambio termico è indispensabile per leggere correttamente qualunque curva di riscaldamento o raffreddamento.

Domande frequenti

Perché la temperatura resta costante durante un passaggio di stato?

Perché l’energia fornita non serve ad aumentare la velocità delle molecole — che è ciò che misura la temperatura — ma a rompere le forze che le tengono unite. Finché ci sono legami intermolecolari da spezzare, tutto il calore va lì e il termometro non sale. Solo quando il passaggio è completo l’ulteriore calore torna a scaldare la sostanza.

Che differenza c’è tra calore sensibile e calore latente?

Il calore sensibile fa variare la temperatura: aumenta l’agitazione termica delle molecole. Il calore latente accompagna invece un cambiamento di stato a temperatura costante: serve a rompere o formare le attrazioni tra le molecole. Il primo si «sente» col termometro, il secondo resta «nascosto» nel passaggio di stato.

Che cos’è la sublimazione?

È il passaggio diretto dallo stato solido a quello gassoso, senza passare per il liquido. La compie per esempio il ghiaccio secco (anidride carbonica solida), che a pressione ambiente passa direttamente a gas, o la naftalina. Il processo inverso, da gas a solido, si chiama brinamento o deposizione, ed è quello che forma la brina.

Perché servono più energia per far bollire l’acqua che per fonderla?

Perché il calore latente di vaporizzazione è molto maggiore di quello di fusione. Nella fusione le molecole d’acqua restano comunque a contatto, basta sbloccarle dalla struttura ordinata del ghiaccio; nella vaporizzazione vanno invece separate completamente le une dalle altre, vincendo del tutto le attrazioni, e questo richiede molta più energia.

Una scottatura da vapore è peggiore di una da acqua bollente?

Sì, a parità di temperatura. Il vapore, condensando sulla pelle, rilascia non solo il calore dovuto alla sua temperatura ma anche tutto il calore latente di condensazione, che è molto elevato. Questa energia in più rende l’ustione da vapore più grave di quella provocata dall’acqua liquida a 100°C.