{"id":12491,"date":"2017-01-19T23:54:48","date_gmt":"2017-01-19T22:54:48","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bmscience.net\/blog\/?p=12491"},"modified":"2024-02-26T20:39:38","modified_gmt":"2024-02-26T19:39:38","slug":"i-cambiamenti-di-stato-e-la-trasmissione-del-calore","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/bmscience.net\/blog\/i-cambiamenti-di-stato-e-la-trasmissione-del-calore\/","title":{"rendered":"I cambiamenti di stato e la trasmissione del calore"},"content":{"rendered":"
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\"\"<\/a><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Facendo variare la temperatura o la pressione, la materia pu\u00f2 passare da uno stato di aggregazione<\/strong> ad un altro, con un processo durante il quale le molecole modificano la loro distanza relativa.
Una sostanza pu\u00f2 esistere in quattro diversi stati: solido, liquido, gassoso e plasma.<\/p>\n\n\n\n

E’ possibile passare da uno stato ad un altro fornendo o sottraendo calore alla sostanza.
I passaggi di stato che assorbono energia sono: la fusione<\/strong> (da solido a liquido), l’evaporazione<\/strong> o ebollizione<\/strong> (da liquido a vapore) e la sublimazione<\/strong> (da solido a vapore).
I passaggi di stato che cedono energia sono: la solidificazione <\/strong>(da liquido a solido), la condensazione<\/strong> (da vapore a liquido), il brinamento<\/strong> (da vapore a solido).<\/p>\n\n\n\n

Durante il processo di fusione e di ebollizione le temperature restano costanti finch\u00e9 non si completa il passaggio di stato. Durante un cambiamento di fase, la quantit\u00e0 di calore trasferita per unit\u00e0 di massa si chiama\u00a0calore latente\u00a0\u03bb<\/strong>.\u00a0\u0394Q = m\u22c5\u03bb<\/strong>
Il calore latente varia da sostanza a sostanza e dal tipo di passaggio di stato.<\/p>\n\n\n

Caricamento…<\/p><\/div>\r\n\r\n<\/div>\n\n

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Quando un solido raggiunge una temperatura sufficientemente elevata, l’agitazione termica delle molecole tende ad alterare la struttura cristallina. Una piccola variazione della distanza intermolecolare origina un grande indebolimento delle forze di legame e quindi si ha il passaggio dallo stato solido allo stato liquido (fusione<\/strong>).
Quando invece si riduce la temperatura di un liquido, il moto delle molecole diviene sempre pi\u00f9 limitato. Alla temperatura di solidificazione, il movimento delle molecole si riduce ad una vibrazione periodica intorno a punti di equilibrio regolarmente disposti con formazione di un reticolo cristallino per cui si ha il passaggio allo stato solido (solidificazione<\/strong>).
Ad una determinata pressione, ogni sostanza cristallina presenta una caratteristica temperatura di fusione\u00a0Tf<\/sub><\/strong>, che coincide con la temperatura di solidificazione\u00a0Ts<\/sub><\/strong>. Sia durante la fusione che la solidificazione la temperatura resta costante e la sostanza \u00e8 presente sia in fase liquida che solida.
La quantit\u00e0 di calore che occorre fornire a pressione costante alla massa unitaria di un solido portato alla temperatura di fusione per ottenere il suo passaggio completo allo stato liquido si chiama\u00a0calore latente di fusione<\/strong>, mentre la quantit\u00e0 di calore che un liquido deve cedere per ottenere il passaggio completo allo stato solido \u00e8 chiamato\u00a0calore latente di solidificazione<\/strong>. Nel caso dell’acqua\u00a0\u03bbf<\/sub> = 80 cal\/gr<\/strong>.
In generale aumentando la pressione di una sostanza aumenta la sua temperatura di fusione, fatta eccezione per la temperatura di fusione del ghiaccio che diminuisce se si aumenta la pressione (questo spiega il movimento dei ghiacciai).<\/p>\n\n\n

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Il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme (evaporazione<\/strong>). Le molecole che sono vicine alla superficie del liquido e hanno velocit\u00e0 sufficientemente elevata possono sfuggire dal liquido e passare alla fase gassosa generando una pressione sul liquido chiamata\u00a0tensione di vapore<\/strong>.
L’evaporazione avviene a qualsiasi temperatura, ma diventa pi\u00f9 probabile se la temperatura aumenta perch\u00e9 aumentano i movimenti delle molecole.
L’evaporazione causa un raffreddamento del liquido in quanto perde le molecole che hanno maggiore energia cinetica, per questo motivo il nostro corpo utilizza il sudore come sistema di raffreddamento.
Allo stesso modo, le molecole evaporate da un liquido e vicine alla superficie del liquido, possono essere catturate\u00a0con il fenomeno della\u00a0condensazione<\/strong>.
Se il contenitore del liquido \u00e8 chiuso<\/strong>, si raggiunge una situazione di equilibrio in cui il numero di molecole che tornano nel liquido \u00e8 pari al numero di quelle che lo lasciano nello stesso intervallo di tempo. In queste condizioni, la pressione del vapore \u00e8 detta\u00a0tensione di vapor saturo<\/strong> ed aumenta con la temperatura, ma non dipende dalla presenza dell’aria. La tensione di vapore saturo \u00e8 la pressione delle molecole che agiscono sul liquido.
Se il contenitore del liquido \u00e8 aperto<\/strong>, il liquido pu\u00f2 evaporare completamente prima che sia raggiunto l’equilibrio con il vapore.<\/p>\n\n\n

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L’ebollizione<\/strong>, invece, non \u00e8 altro che un\u00a0evaporazione tumultuosa<\/strong> che si manifesta in tutta la massa del liquido ad una determinata temperatura. Se la temperatura di un liquido diventa sufficientemente elevata si ha la formazione di bollicine di vapore. Se la tensione di vapore delle bolle \u00e8 minore della pressione esterna, le bolle si frantumano. Quando si aumenta la temperatura del liquido, la tensione di vapor saturo all’interno delle bolle diventa uguale o maggiore della pressione esterna dell’aria e le bolle iniziano a salire in superficie dove si rompono per liberare vapore. Un liquido bolle per quel particolare valore di temperatura per cui la tensione del proprio vapor saturo eguaglia la pressione esterna. Abbassando la pressione esterna, diminuisce la temperatura di ebollizione, per questo motivo in montagna l’acqua bolle ad una temperatura pi\u00f9 bassa.
Come accadeva per la fusione e la solidificazione, anche durante l’ebollizione la temperatura rimane costante finch\u00e9 tutto il liquido non si trasforma in vapore.<\/p>\n\n\n

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L’evaporazione diretta di un solido<\/strong>, senza passare dalla fase liquida, dovuta al passaggio alla fase vapore delle molecole pi\u00f9 energetiche sulla superficie limite del solido \u00e8 chiamata sublimazione<\/strong>.
Questo passaggio di stato \u00e8 favorito dalle basse pressioni e dalle alte temperature.
Le sostanze che sublimano facilmente a temperature e pressioni ordinarie sono: la naftalina, lo iodio, la canfora e il ghiaccio secco (CO2<\/sub> solida).
Il passaggio diretto dallo stato di vapore a quello solido, senza passare dalla fase liquida, \u00e8 chiamato invece brinamento<\/strong>.
Questo passaggio di stato \u00e8 favorito da un abbassamento brusco di temperatura. Un esempio \u00e8 la formazione di brina nelle fredde giornate invernali in seguito alla solidificazione del vapore acqueo presente nell’aria.<\/p>\n\n\n

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La trasmissione del calore<\/h2>\n\n\n\n

La trasmissione di calore si ha quando si trasferisce energia da un sistema ad un altro. Essa pu\u00f2 avvenire in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento.<\/p>\n\n\n\n

La conduzione<\/strong> \u00e8 il primo meccanismo di trasmissione di energia dovuto alle collisioni molecolari, senza che vi sia spostamento di materia o alterazione macroscopica dei mezzi.
La quantit\u00e0 di calore \u0394Q<\/strong> che si propaga nel tempo \u0394t<\/strong> attraverso un oggetto di sezione trasversale A<\/strong> avente le estremit\u00e0 a distanza l<\/strong> e mantenute alle temperature T1<\/sub><\/strong> e T<\/strong>2<\/sub><\/strong> \u00e8 uguale, secondo la relazione di Fourier<\/strong> a:<\/p>\n\n\n

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dove\u00a0k<\/strong> \u00e8 la conducibilit\u00e0 termica e dipende dal materiale. La sua unit\u00e0 di misura \u00e8\u00a0J\/(s\u22c5m\u22c5K). Quando la k<\/strong> \u00e8 molto grande vuol dire che il materiale \u00e8 un buon conduttore (in genere i metalli sono buoni conduttori), quando la k<\/strong> \u00e8 piccola il materiale \u00e8 isolante.<\/p>\n\n\n

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La convezione <\/strong>\u00e8 un altro meccanismo di trasmissione dell’energia mediante il movimento di molecole da una regione ad un’altra ed \u00e8 presente nei fluidi. Per avere dei moti convettivi, la sorgente di calore deve essere situata in basso. Prendiamo l’esempio della pentola: se il liquido \u00e8 riscaldato dalla parte superiore non si ha convezione ma si riscalda solo per conduzione in un processo molto pi\u00f9 lento.
Oltre alla pentola riscaldata dal fondo, altri esempi di trasmissione del calore per convezione sono il riscaldamento dei termosifoni, le correnti oceaniche e le brezze marine.<\/p>\n\n\n\n

L’ultimo meccanismo di trasmissione del calore \u00e8 l’irraggiamento<\/strong> che sfrutta le onde elettromagnetiche. Questo meccanismo, a differenza degli altir, non ha bisogno di materia per il trasporto dell’energia. Un esempio di irraggiamento \u00e8 quello dell’energia trasmessa dal Sole alla Terra.
La quantit\u00e0 di energia Q<\/strong> emessa per irraggiamento nel tempo \u0394t<\/strong> da un oggetto avente area A<\/strong> e temperatura assoluta T<\/strong> \u00e8, secondo la legge di Stefan-Boltzmann<\/strong>:<\/p>\n\n\n\n

Q = e\u22c5\u03c3\u22c5A\u22c5T<\/b>4<\/b><\/sup>\u22c5\u0394t<\/b><\/span><\/p>\n\n\n

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Acquista<\/a> <\/a>ora<\/a><\/strong><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

dove \u03c3<\/strong> \u00e8 la costante di Stefan-Boltzmann<\/strong> ed \u00e8 uguale a 5,67\u22c510<\/strong>-8<\/sup><\/strong> W\/(m<\/strong>2<\/sup><\/strong>\u22c5K4<\/sup><\/strong>)<\/strong>, mentre e<\/strong> \u00e8 l’emissivit\u00e0<\/strong> che dipende dalla natura del corpo ed ha un valore compreso tra 0 e 1. Le superfici nere si avvicinano ad un’emissivit\u00e0 di 1, mentre le superfici lucide hanno un’emissivit\u00e0 prossima allo 0.<\/p>\n\n\n\n

Qualsiasi oggetto emette energia per irraggiamento e assorbe quella irraggiata dagli altri corpi. Un oggetto a temperatura T1<\/sub><\/strong>, circondato da un ambiente a temperatura T2<\/sub><\/strong>, emette calore radiante \u0394Q<\/strong> nel tempo \u0394t<\/strong>:<\/p>\n\n\n\n

\u0394Q = e\u22c5\u03c3<\/b>\u22c5<\/b>A\u22c5(<\/b>T1<\/sub><\/b>4<\/b><\/sup>-T2<\/sub>4<\/sup>)<\/b>\u22c5\u0394<\/b>t<\/b><\/span><\/p>\n\n\n\n

Se la T1<\/sub><\/strong> \u00e8 maggiore della T2<\/sub><\/strong> il calore radiante fluisce dal corpo all’ambiente, mentre il corpo si raffredda. Se la T1<\/sub><\/strong> \u00e8 minore della T2<\/sub><\/strong> il calore radiante fluisce dall’ambiente al corpo, mentre il corpo si riscalda.<\/p>\n\n\n\n

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Fonte: Fisica biomedica<\/a>.<\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n

Caricamento…<\/p><\/div>\r\n\r\n<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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