La materia possiede la capacità di poter trasformare il suo stato fisico se sottoposta a variazioni di temperatura o di pressione o di entrambe queste grandezze. Le trasformazioni da uno stato fisico a un altro vengono chiamate passaggi di stato. Sappiamo che le sostanze possono trovarsi in tre stati fisici o stati di aggregazione :Stato solido, liquido e gassoso.
Stato Solido
- Lo stato Solido è caratterizzato da una forte condensazione della materia e da una resistenza alle variazioni di forma e volume. In una sostanza che si trova allo stato solido, le forze che interagiscono tra le componenti (molecole o atomi) sono molto intense tanto da garantire soltanto moti di vibrazioni. In questo stato, le molecole si posizionano solitamente secondo un reticolo cristallino o in maniera amorfa.
Stato Liquido
- Lo stato Liquido presenta le seguenti caratteristiche: Fluidità: a differenza dei solidi, nei liquidi, le molecole non sono fortemente legate tra loro; ciò permette una certa scorrevolezza o fluidità, che varia a seconda della viscosità. Elasticità: il liquido assume facilmente la forma del suo contenitore e si deforma in base alle forze che agiscono su di esso. Incomprimibilità: il volume del liquido resta, a temperatura e pressione costante.
Stato Aeriforme
- Lo stato Aeriforme è caratterizzato da un basso tasso di interazioni tra molecole e dal libero movimento di queste. Di conseguenza, la sostanza aeriforme, come gas e vapore, non ha forma propria, ma tende a espandersi fino ad occupare tutto il volume disponibile, risultando comprimibili
Ogni sostanza può esistere in ognuno di questi stati e quindi può passare da uno stato ad un altro; questi passaggi si chiamano appunto passaggi di stato.
I passaggi di stato hanno i seguenti nomi:
- Fusione: passaggio da solido a liquido
- Evaporazione: passaggio da liquido ad aeriforme
- Condensazione: passaggio da aeriforme a liquido
- Solidificazione: passaggio da liquido a solido
- Sublimazione: passaggio diretto da solido ad aeriforme
- Brinamento: passaggio diretto da aeriforme a solido
I passaggi di stato sono fenomeni fisici, perché non danno luogo a cambiamenti nella composizione delle sostanze interessate. Ad esempio, il ghiaccio, l’acqua allo stato liquido e il vapore acqueo sono tutti costituiti da molecole di acqua, H2O; è diverso solo i modo con cui queste molecole sono unite fra di loro, o nel caso del vapore non sono unite affatto. I passaggi di stato avvengono a temperature caratteristiche per ogni sostanza pura. Per ogni sostanza avremo quindi una temperatura di fusione e una temperatura di ebollizione. La temperatura a cui avviene un passaggio di stato dipende anche dalla pressione. L’acqua pura bolle a 100 °C se la pressione è di una atmosfera. Se la pressione è minore, come succede in alta montagna, l’acqua bolle a una temperatura inferiore. Se invece la pressione è maggiore di una atmosfera, l’acqua bolle a una temperatura superiore ai 100°C.
La Fusione
Quando si riscalda un solido la sua temperatura aumenta. Questo significa che le molecole compiono oscillazioni sempre più ampie e veloci intorno alle loro posizioni di equilibrio nel reticolo cristallino. Nel momento in cui si arriva alla temperatura di fusione, l’agitazione termica delle particelle è tale che il reticolo comincia a rompersi. Per tutta la durata della fusione, il calore che viene somministrato dall’esterno non viene utilizzato per far aumentare la temperatura, ma per rompere il reticolo cristallino. Solo quando tutto il solido si è trasformato in liquido è possibile fare aumentare la temperatura del sistema. Generalmente la fusione è caratterizzata da un aumento di volume.
L’Evaporazione
Il passaggio da liquido ad aeriforme può avvenire in due modi: evaporazione ed ebollizione. Di questi due fenomeni, soltanto l’ebollizione presenta tutte le caratteristiche di un passaggio di stato, perché avviene ad una temperatura fissa per ogni sostanza, e la temperatura del sistema resta costante per tutta la durata del passaggio di stato. Man mano che si fornisce calore a un liquido, l’agitazione termica delle sue particelle aumenta. Quando si raggiunge la temperatura di ebollizione, l’agitazione termica è tanto forte che il suo effetto prevale sulle forze di attrazione fra le molecole del liquido; le molecole, quindi, si separano l’una dall’altra, e passano allo stato di vapore. L’evaporazione è un processo più lento, avviene a qualsiasi temperatura e interessa solo la superficie del liquido: sono cioè le molecole della superficie che un po’ alla volta si staccano dalle loro vicine e si mescolano all’aria. Più la temperatura dell’ambiente è elevata, più velocemente avviene l’evaporazione. Inoltre, siccome il fenomeno interessa solo la superficie del liquido, più ampia è questa superficie più rapidamente avviene l’evaporazione.
La Condensazione
La condensazione è il passaggio da aeriforme a liquido. Per farla avvenire senza variare la pressione, bisogna raffreddare il gas fino alla temperatura di liquefazione. A questo punto il gas comincia a condensare formando goccioline di liquido, cioè le molecole del gas cominciano a formare dei legami fra loro, a unirsi l’una all’altra: si formano così le goccioline di liquido. Se si continua a raffreddare la temperatura non cambia, ma una quantità sempre maggiore di gas si trasforma in liquido. Soltanto quando tutto il gas è divenuto liquido è possibile fare abbassare la temperatura del liquido, se si continua a sottrarre calore. Durante la condensazione la temperatura rimane costante, perché il calore che viene sottratto dall’esterno con il raffreddamento è compensato dal calore che si sviluppa nel processo di formazione del liquido, cioè nella formazione di legami fra una molecola e l’altra.
La Solidificazione
Quando un liquido viene raffreddato, la sua temperatura si abbassa. Quando raggiunge la temperatura di solidificazione, il liquido comincia a trasformarsi in un solido e la temperatura non si abbassa più. Il calore sottratto con il raffreddamento viene compensato dal calore che si sviluppa nel processo di formazione del reticolo cristallino del solido. Infatti durante la solidificazione le molecole del liquido si dispongono man mano secondo la struttura ordinata propria dei solidi, e questo è un processo che sviluppa calore.
La Sublimazione
La sublimazione, passaggio diretto da solido a vapore, avviene soprattutto per alcune sostanze. E’esperienza comune vedere che il ghiaccio “fuma”, cioè ha intorno del vapore; quel vapore è prodotto appunto dalla sublimazione del ghiaccio. La sublimazione è tanto più intensa quanto minore e la pressione. Ci sono sostanze che non sublimano a pressione ordinaria, ma sublimano se la pressione viene diminuita. E per le sostanze che già sublimano a pressione ordinaria, l’entità della sublimazione diviene maggiore se si riduce la pressione.
Il Brinamento
Il brinamento è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato solido di una sostanza, senza passare per lo stato liquido. L’origine del termine italiano si ricollega alla brina che si forma sull’erba quando, a causa delle basse temperature, il vapore acqueo nell’aria si trasforma in aghetti di ghiaccio che si depositano sull’erba.
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