GLI STATI DELLA MATERIA

GLI STATI DELLA MATERIA

Professoressa PAOLA CORONA

«Se in qualche cataclisma tutta la conoscenza scientifica andasse distrutta e una sola frase fosse tramandata alle generazioni successive, quale

affermazione conterrebbe la maggiore quantità di informazioni nel minor numero di parole? Io credo che sia l’ipotesi atomica, che tutte le cose sono fatte di atomi – piccole particelle che si muovono incessantemente,

attraendosi quando sono vicine e respingendosi quando vengono schiacciate l’una contro l’altra»

Richard Feynman, Lezioni di Fisica

L’ipotesi che la materia sia realmente costituita da atomi, come già avevano immaginato alcuni filosofi dell’antica Grecia, si impone grazie all’opera convergente di molti studiosi sperimentali e teorici. Ricordiamo in particolare:

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Oggi sappiamo che la materia è organizzata in materia gerarchica, a livelli successivi. Procedendo verso

l’infinitamente piccolo, si incontrano nell’ordine:

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Dal macroscopico al microscopico al subnucleare

A occhio nudo vediamo distintamente le parole di una pagina di questo libro

Con una lente di ingrandimento ingrandiamo le singole lettere

Dal macroscopico al microscopico al subnucleare

Con un microscopio ottico possiamo distinguere innanzitutto le fibre di cellulosa e, aumentando l’ingrandimento, possiamo vedere che queste fibre sono costituite di microfibrille

Con un microscopio a forza atomica o a effetto tunnel scopriamo la

lunga catena della molecola di cellulosa

Dal macroscopico al microscopico al subnucleare

Aumentando l’ingrandimento del microscopio a effetto tunnel

individuiamo gli atomi di carbonio, di ossigeno e di idrogeno

Ricorrendo a particelle di alta

energia possiamo vedere le tracce dei componenti nucleari, grazie a una camera a bolle o a nebbia

Dal macroscopico al microscopico al subnucleare

Con particelle ancora più energetiche accelerate da potenti acceleratori, possiamo scoprire la struttura interna dei protoni e dei neutroni, costituiti da particelle puntiformi, i quark

Dal macroscopico al microscopico al subnucleare

Nella grande maggioranza dei casi, i fenomeni fisici con cui abbiamo a che fare non coinvolgono i livelli più profondi della materia (quello nucleare e subnucleare) ma solo la struttura molecolare e atomica

Per descrivere i fenomeni termici di cui ci occuperemo ci basterà

sapere che la materia è formata da molecole e atomi che si muovono in continuazione e interagiscono tra loro più o meno intensamente

Da un punto di vista microscopico, la temperatura di un corpo è una misura dell’energia cinetica, e quindi della velocità, delle molecole che costituiscono quel corpo

Gli stati di aggregazione della materia

La materia ordinaria si presenta in tre forme fondamentali, dette stati di aggregazione: lo stato solido, lo stato liquido e lo stato solido

In un solido l’intensità delle forze intermolecolari è tale da impedire alle molecole di allontanarsi dalle loro posizioni iniziali

Nel caso dei solidi cristallini, le molecole formano reticoli molto ordinati I solidi amorfi non presentano reticoli regolari

In un liquido, le forze intermolecolari sono più deboli e le molecole hanno una maggiore mobilità. Ciò permette al liquido di modificare la propria forma

In un gas, infine, le forze intermolecolari sono trascurabili e le molecole sono pressoché libere. Il loro volume complessivo è molto piccolo, ed è per questo che il gas può essere facilmente compresso

Nel caso dei solidi cristallini, le molecole formano reticoli molto ordinati I solidi amorfi non presentano reticoli regolari

I cambiamenti di stato

Il passaggio di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro è detto passaggio di stato o cambiamento di stato

I sistemi fisici che scambiano energia e calore con l’ambiente esterno si chiamano sistemi termodinamici

Una parte fisicamente omogenea di un sistema termodinamico è detta fase

Vaporizzazione e condensazione

Il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore è detto vaporizzazione, o evaporazione. Il passaggio inverso, dallo stato di vapore a quello di liquido, è detto condensazione

Vaporizzazione e condensazione

A ogni valore di temperatura corrisponde uno specifico valore della pressione per la quale vi è equilibrio tra le fasi liquida e gassosa (pressione di vapore saturo)

Ebollizione

Continuando a riscaldare un liquido, a un certo punto si formano al suo interno delle bollicine di vapore che si dilatano e risalgono in superficie.

Aumentando ancora la temperatura, il fenomeno diventa turbolento e coinvolge l’intera massa del liquido

Questa particolare modalità di passaggio allo stato gassoso è detta ebollizione

Punto di ebollizione di un liquido

Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale la pressione del vapore saturo uguaglia la pressione esterna

Fusione e solidificazione

Il passaggio dalla fase solida a quella liquida è detta fusione o liquefazione. Il passaggio inverso, dalla fase liquida a quella solida, è detto solidificazione

Nel diagramma pressione-temperatura una curva simile a quella della pressione del vapore saturo (curva di fusione) rappresenta i punti in cui la fase solida e liquida sono in equilibrio

Fusione e solidificazione

Fusione e solidificazione

Un altro modo per

innalzare la temperatura di ebollizione dell’acqua

consiste nell’aggiungere un pizzico di sale (cloruro di sodio) il quale si dissocia nell’acqua in ioni sodio e ioni cloro.

Gli ioni manifestano una forte interazione con le molecole d’acqua,

rendendo più difficile il loro passaggio alla fase di

vapore

COME INNALZARE LA TEMPERATURA DI EBOLLIZIONE DELL’ACQUA

Il calore latente

Temperatura durante un cambiamento di stato

Durante un cambiamento di stato la temperatura di un sistema rimane costante

Fino a che rimane del ghiaccio nel bicchiere, la temperatura del sistema ghiaccio + acqua rimane costante a 0 °C

Il calore latente

Calore latente, L

Il calore latente L di una sostanza è il calore che deve essere fornito o sottratto a una massa unitaria di quella sostanza per farla passare da una fase all’altra:

Nel SI il calore latente si misura in joule/kilogrammo (J/kg)

Il calore latente

Il calore latente dipende dalle fasi che sono coinvolte:

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Operativamente

§Che cosa devi fare

Per costruire il grafico calore-temperatura del sistema in esame, calcola le quantità di calore necessarie nei vari tratti, seguendo la procedura indicata:

LA TEMPERATURA NEI PASSAGGI DI STATO

Cambiamenti di stato e conservazione dell’energia

Se lo scambio di calore avviene all’interno di un sistema, cioè tra le sue parti, ma non con l’ambiente esterno, l’energia totale del sistema è costante.

Naturalmente il calore che fluisce all’interno del sistema può causare cambiamenti di temperatura e di fase

L’idea di base per risolvere problemi che coinvolgono la

conservazione dell’energia è la seguente: il calore ceduto da una parte del sistema è uguale al calore acquistato dall’altra