I passaggi di stato sono tra gli argomenti di fisica più semplici da capire perché li vediamo accadere quotidianamente sotto i nostri occhi.
Tuttavia, non tutti conoscono i nomi esatti dei passaggi di stato, come e perché avvengono.
Dato che i passaggi di stato sono spesso oggetto di verifica alle superiori e rientrano nel programma di fisica del test di medicina e odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie, abbiamo deciso di approfondire l’argomento.
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Cosa sono i passaggi di stato
Iniziamo questa lezione con la definizione di passaggi di stato:
i passaggi di stato sono trasformazioni fisiche della materia.
Detto in altri termini, i passaggi di stato della materia sono quei fenomenici fisici che permettono a un corpo di passare da uno stato all’altro. Questo passaggio è reversibile. Ad esempio, l’acqua che si solidifica in ghiaccio può tornare allo stato liquido.
I passaggi di stato sono anche detti cambiamenti di fase.
Ma quali sono gli stati della materia? Gli stati della materia più conosciuti sono 3:
- solido
- liquido
- gassoso
Questi tre sono gli stati della materia di cui tutti abbiamo esperienza nella vita reale. Per completezza, dobbiamo precisare che esiste un 4° stato della materia, quello plasmatico. Lo stato plasmatico della materia è detto anche stato ionizzato. La materia si trova allo stato plasmatico quando abbiamo ioni ed elettroni liberi di atomi a cui sono stati sottratti elettroni.
Quindi, quanti sono gli stati della materia? La risposta corretta è 4.
In fisica, affinché un passaggio di stato si verifichi è necessario fornire o sottrarre calore a un corpo. La caratteristica principale dei passaggi di stato è che questi fenomeni accadono a temperatura costante. La temperatura di un corpo rimane costante durante il passaggio di stato perché il calore, ossia l’energia, viene usato per rompere o creare legami non per innalzare o abbassare la temperatura.
L’esempio classico è quello dell’acqua che bolle. Durante il processo, la temperatura è fissa a 100° C fino alla sua completa trasformazione in vapore. Infatti, fornendo calore le molecole oscillano, si distanziano e i legami si rompono.
Leggi anche l’approfondimento sul calore latente e guarda la videolezione con esercizi.
Quali sono i passaggi di stato
I passaggi di stato più conosciuti sono 6. Quali sono i 6 passaggi di stato?
Dati i primi 3 stati della materia, i passaggi avvengono in successione e in modo reversibile:
Solido ↔ Liquido ↔ Gassoso
Quindi, in ordine da sinistra a destra avremo: 1) il passaggio da solido a liquido, 2) da liquido a gassoso e viceversa 3) da gassoso a liquido, 4) da liquido a solido. A questi 4 cambiamenti di fase, bisogna aggiungere il passaggio diretto 5) da solido a gassoso e viceversa 6) da gassoso a solido.
I nomi dei 6 passaggi di stato sono:
- fusione, da solido a liquido
- solidificazione, da liquido a solido
- vaporizzazione, da liquido a gassoso
- condensazione, da gassoso a liquido
- sublimazione, da solido a gassoso
- brinamento, da gassoso a solido
Questi 6 trasformazioni possono essere raggruppate in 3 coppie:
- fusione e solidificazione
- vaporizzazione e condensazione
- sublimazione e brinamento
Ma poiché come detto sopra, gli stati della materia sono 4, a questi 6 passaggi ne vanno aggiunti altri 2. Per cui, per precisione è bene dire che i passaggi di stato sono 8.
Dato lo stato gassoso ↔ stato plasmatico, avremo questi due ulteriori passaggi di stato:
- ionizzazione, da gassoso a plasmatico
- deionizzazione, da plasmatico a gassoso
Vediamo nel dettaglio i primi 6 passaggi di stato.
Fusione
La fusione è il passaggio di stato da solido a liquido. Durante il processo di fusione si verifica un aumento di volume della materia. Il ghiaccio fa eccezione, perché il suo volume si riduce quando fonde.
La fusione è un processo endotermico, ossia è un fenomeno che avviene per acquisizione di calore, oppure per somministrazione di calore e/o diminuzione della pressione.
La temperatura di fusione del ghiaccio è 0° C.
Sono esempi di fusione il passaggio del ghiaccio in acqua e del burro fuso.
Solidificazione
La solidificazione è il passaggio di stato da liquido a solido. Per ottenerlo, la temperatura deve scendere al punto di solidificazione, che alle stesse condizioni coincide con quello di fusione.
La fusione è un processo esotermico, ossia è un fenomeno che avviene per sottrazione di calore.
Sono esempi di solidificazione il passaggio dell’acqua in ghiaccio e quello della cera sciolta.
Vaporizzazione
La vaporizzazione è il passaggio di stato da liquido a gassoso. Per verificarsi la materia deve acquisire calore (processo endotermico) o la pressione deve diminuire.
La vaporizzazione va distinta in:
- evaporazione, quando il passaggio di stato avviene in modo lento e non percettibile, come nel caso del bucato che si asciuga al sole o dell’acqua di una pozzanghera che evapora al sole.
- ebollizione, quando il cambiamento di stato è tumultuoso, ne è esempio l’acqua che bolle.
Un’ulteriore differenza tra evaporazione ed ebollizione sta nella temperatura a cui avvengono. L’evaporazione si verifica a qualsiasi temperatura, l’ebollizione solo a una specifica, nel caso dell’acqua a 100° C.
Condensazione
La condensazione è il passaggio di stato da gassoso a liquido. Per ottenerlo, deve esserci una sottrazione di calore (processo esotermico).
Il classico esempio di condensazione è quello del vapore dell’acqua che bolle e forma delle gocce quando entra in contatto con la superficie più fredda del coperchio della pentola.
Sempre nel campo del passaggio di stato da gassoso a liquido, in fisica distinguiamo la condensazione, relativa al vapore, dalla liquefazione, che si riferisce ai gas e che avviene per compressione e/o sottrazione di calore.
Sublimazione
Che cos’è la sublimazione? La sublimazione è il passaggio di stato da solido a gassoso. Per ottenerlo deve esserci un’acquisizione di calore.
Non tutte le sostanze possono sublimare. Tra queste ci sono la canfora e la naftalina.
Brinamento
Il brinamento è il passaggio di stato da gassoso a solido. Per ottenerlo deve verificarsi una sottrazione di calore.
Il nome stesso di questo passaggio di stato ci fa pensare alla brina, ossia al vapore acqueo che durante la notte, a specifici valori di pressione e temperatura, si trasforma in sottili aghi di ghiaccio.
Per approfondire e capire meglio questi fenomeni fisici, guarda anche la videolezione sui passaggi di stato con un esercizio svolto dalla nostra tutor di fisica.
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