Transizioni di fase: tipi, classificazioni, proprietà ed esempi (con diagramma)

Tutti hanno un ricordo di quando erano bambini e il gelato si scioglieva inaspettatamente (e involontariamente). Forse eri sulla spiaggia, cercando di tenere il passo con i rivoli di gelato fuso che ti scorrevano sulle dita, ma poi l'intera paletta è caduta nella sabbia. Forse hai lasciato un ghiacciolo al sole troppo a lungo e sei tornato in una pozzanghera di acqua zuccherata dai colori luminosi. Qualunque sia la tua esperienza, la maggior parte delle persone ha un chiaro ricordo di qualcosa nelfase solidail passaggio alfase liquida, e le conseguenze di tale cambiamento.

Naturalmente, i fisici hanno un linguaggio specifico per descrivere questi cambiamenti di fase tra i diversi stati della materia. Non dovrebbe sorprendere il fatto che le diverse proprietà fisiche dei materiali regolino il loro comportamento, comprese le temperature alle quali subiscono cambiamenti di fase. Imparare come si calcola l'energia consumata in questi cambiamenti di fase e un po' di fisica rilevante proprietà è fondamentale per comprendere tutto, dallo scioglimento del ghiaccio a processi più insoliti come sublimazione.

La maggior parte delle persone ha familiarità con le tre fasi principali della materia: solido, liquido e gas. Tuttavia, esiste anche un quarto stato della materia chiamato plasma, che verrà descritto brevemente più avanti in questo articolo. I solidi sono i più facili da capire; la materia allo stato solido mantiene la sua forma e non è comprimibile in misura notevole.

Usando l'acqua come esempio, il ghiaccio è lo stato solido ed è intuitivamente chiaro che il ghiaccio si romperà prima di te sono stati in grado di comprimerlo in un volume più piccolo, e anche allora il ghiaccio rotto occuperebbe ancora lo stesso volume. Potresti anche pensare a una spugna come un possibile controesempio, ma in tal caso, quando la "comprimi", sei davvero semplicemente rimuovendo tutti i fori d'aria che contiene nel suo stato naturale - la materia solida reale non ottiene compresso.

I liquidi prendono la forma del contenitore in cui si trovano, ma sono incomprimibili allo stesso modo dei solidi. Ancora una volta, l'acqua liquida è l'esempio perfetto di questo perché è così familiare: puoi mettere l'acqua in qualsiasi forma del contenitore, ma non puoi comprimerlo fisicamente per occupare meno volume di quanto non faccia al suo naturale stato. I gas come il vapore acqueo, d'altra parte, riempiono la forma del contenitore in cui si trovano ma possono essere compressi.

Il comportamento di ciascuno è spiegato dalla sua struttura atomica. In un solido, c'è una disposizione reticolare regolare degli atomi, quindi forma una struttura cristallina o almeno una massa amorfa perché gli atomi sono fissati in posizione. In un liquido, le molecole o gli atomi sono liberi di muoversi ma sono parzialmente collegati tramite legami a idrogeno, quindi scorre liberamente ma ha una certa viscosità. In un gas, le molecole sono completamente separate, senza forze intermolecolari che le tengono insieme, motivo per cui un gas può espandersi e comprimersi molto più liberamente rispetto ai solidi o ai liquidi.

Quando aggiungi calore a un solido, aumenta la sua temperatura fino a raggiungere il punto di fusione, fase in cui le cose cambiano. L'energia termica che aggiungi una volta che sei al punto di fusione non cambia la temperatura; fornisce energia per la transizione di fase dalla fase solida alla fase liquida, comunemente chiamata fusione.

L'equazione che descrive il processo di fusione è:

Dovel​_f è il calore latente di fusione per il materiale,mè la massa della sostanza eQè il calore aggiunto. Come mostra l'equazione, le unità di calore latente sono energia/massa, o joule per kg, g o altra misura di massa. Il calore latente di fusione è talvolta chiamato entalpia di fusione, o talvolta solo calore latente di fusione.

Per qualsiasi sostanza specifica, ad esempio se stai osservando in modo specifico lo scioglimento del ghiaccio, esiste una temperatura di transizione specifica alla quale ciò si verifica. Per lo scioglimento del ghiaccio in acqua liquida, la temperatura di transizione di fase è 0 gradi Celsius o 273,15 Kelvin. Puoi cercare il calore latente di fusione per molti materiali comuni online (vedi Risorse), ma per il ghiaccio è 334 kJ/kg.

Lo stesso processo della fusione avviene quando si vaporizza una sostanza, tranne per il fatto che la temperatura alla quale avviene la transizione di fase è il punto di ebollizione della sostanza. Allo stesso modo, però, l'energia aggiuntiva che date alla sostanza a questo punto va nella transizione di fase, in questo caso dalla fase liquida alla fase gassosa. Il termine usato qui è il calore latente di vaporizzazione (o l'entalpia di vaporizzazione), ma il concetto è esattamente lo stesso del calore latente di fusione.

Anche l'equazione assume la stessa forma:

Dovel​_v questa volta è il calore latente di vaporizzazione (vedi Risorse per una tabella dei valori per i materiali comuni). Anche in questo caso, esiste una temperatura di transizione specifica per ciascuna sostanza, con l'acqua liquida che subisce questa transizione a 100 C o 373,15 Kelvin. Quindi se stai riscaldando una certa massamdi acqua dalla temperatura ambiente al punto di ebollizione e poi evaporandola, ci sono due fasi per il calcolo: l'energia necessaria per portarlo a 100 C, e poi l'energia necessaria per vaporizzare esso.

Sebbene la transizione di fase da solido a liquido (cioè fusione) e quella da liquido a gas (vaporizzazione) siano le più comuni, ci sono molte altre transizioni che possono verificarsi. In particolare,sublimazioneè quando una sostanza subisce una transizione di fase da una fase solida direttamente a una fase gassosa.

L'esempio più noto di questo comportamento è nel ghiaccio secco, che è in realtà anidride carbonica solida. A temperatura ambiente e pressione atmosferica, sublima direttamente in anidride carbonica, e questo lo rende una scelta comune per gli effetti di nebbia teatrali.

L'opposto della sublimazione èdeposizione, dove un gas subisce un cambiamento di stato direttamente in un solido. Questo è un altro tipo di transizione di fase che viene discussa meno comunemente ma che si verifica ancora in natura.

La pressione ha un grande impatto sulla temperatura alla quale si verificano le transizioni di fase. Ad una pressione più alta, il punto di vaporizzazione è più alto e si riduce a pressioni più basse. Questo è il motivo per cui l'acqua bolle a una temperatura più bassa quando sei più in quota, perché la pressione è più bassa e quindi anche il punto di ebollizione. Questa relazione è solitamente dimostrata in un diagramma di fase, che ha assi per temperatura e pressione, e linee che separano le fasi solida, liquida e gassosa per la sostanza in questione.

Se osservi attentamente un diagramma di fase, noterai che c'è un punto specifico in cui la sostanza si trova all'intersezione di tutte e tre le fasi principali (cioè la fase gassosa, liquida e solida). Questo si chiamapunto triplo, o il punto critico per la sostanza, e si verifica a una temperatura critica specifica e a una pressione critica.

Il quarto stato della materia è il plasma. Questo è un po' diverso dagli altri stati della materia, perché tecnicamente è un gas che è stato ionizzato (cioè gli sono stati rimossi gli elettroni quindi gli atomi costituenti hanno una carica elettrica netta), e quindi non ha una transizione di fase allo stesso modo degli altri stati di importa.

Il suo comportamento è però molto distinto da un gas tipico, perché mentre può essere considerato elettricamente "quasi-neutro" (perché ci sono un numero uguale di protoni ed elettroni neltotaleplasma), ci sono sacche di carica concentrata e correnti risultanti. I plasmi rispondono anche ai campi elettrici e magnetici in un modo in cui un gas tipico non farebbe.

Uno dei modi più noti per descrivere le transizioni tra le diverse fasi è il sistema di classificazione Ehrenfest, che divide le transizioni in transizioni di fase del primo e del secondo ordine, e il sistema moderno è fortemente basato su Questo. L'"ordine" della transizione si riferisce alla derivata di ordine più basso dell'energia libera termodinamica che mostra una discontinuità. Ad esempio, le transizioni tra solidi, liquidi e gas sono transizioni di fase del primo ordine perché il calore latente crea una discontinuità nella derivata dell'energia libera.

Una transizione di fase del secondo ordine ha una discontinuità nella derivata seconda dell'energia libera, ma non c'è calore latente coinvolto nel processo, quindi sono considerati una fase continua transizioni. Gli esempi includono la transizione alla superconduttività (cioè il punto in cui qualcosa diventa un superconduttore) e la transizione di fase ferromagnetica (come descritto dal modello di Ising).

La teoria di Landau viene utilizzata per descrivere il comportamento di un sistema, in particolare attorno a un punto critico. In generale, c'è una rottura della simmetria alla temperatura di transizione di fase, e questo è particolarmente utile a descrivendo le transizioni nei cristalli liquidi, con la fase ad alta temperatura contenente più simmetrie rispetto alla bassa temperatura fase.

Supponiamo di avere un blocco di ghiaccio da 1 kg a 0 C e di voler sciogliere il ghiaccio e aumentare la temperatura a 20 C, un po' sopra la temperatura ambiente standard. Come accennato in precedenza, ci sono due parti per qualsiasi calcolo come questo: è necessario calcolare la fase cambiare e quindi utilizzare il solito approccio per calcolare l'energia necessaria per aumentare la temperatura del valore specificato quantità.

Il calore latente di fusione per il ghiaccio d'acqua è 334 kJ/kg, quindi usando l'equazione di prima:

Quindi lo scioglimento del ghiaccio, 1 kg nello specifico, richiede 334 kilojoule di energia. Naturalmente, se si stesse lavorando con una quantità di ghiaccio maggiore o minore, 1 kg verrebbe semplicemente sostituito dal valore appropriato.

Ora, quando questa energia sarà stata trasferita al ghiaccio, avrà cambiato fasemaessere ancora a 0 C di temperatura. Per calcolare la quantità di calore che dovresti aggiungere per aumentare la temperatura a 20 C, devi semplicemente cercare la capacità termica specifica dell'acqua (C= 4.182 J/kg°C) e utilizzare l'espressione standard:

DoveTindica la variazione di temperatura. Questo è facile da capire con le informazioni che abbiamo: La variazione di temperatura necessaria è di 20 C, quindi il resto del processo è semplicemente inserire i valori e calcolare:

L'intero processo (cioè lo scioglimento del ghiaccio e il riscaldamento dell'acqua) richiede quindi:

Quindi la maggior parte dell'energia proviene dal processo di fusione, piuttosto che dal riscaldamento. Nota che questo calcolo ha funzionato solo perché le unità erano coerenti in tutto: la massa era sempre in kg e l'energia è stata convertita in kJ per l'aggiunta finale - e dovresti sempre verificarlo prima di tentare a calcolo.

Ora immagina di prendere 1 kg di acqua a 20 C dall'ultimo esempio e di volerlo convertire in vapore acqueo. Prova a risolvere questo problema prima di leggere in anticipo, perché il processo è essenzialmente lo stesso di prima. Innanzitutto, è necessario calcolare la quantità di energia termica necessaria per portare l'acqua al punto di ebollizione, quindi è possibile procedere e calcolare quanta energia aggiuntiva è necessaria per vaporizzare l'acqua.

La prima fase è proprio come la seconda fase dell'esempio precedente, tranne che ora ∆T= 80 C, poiché il punto di ebollizione dell'acqua liquida è 100 C. Quindi usando la stessa equazione si ottiene:

Dal punto in cui è stata aggiunta questa quantità di energia, il resto dell'energia andrà a vaporizzare il liquido e dovrai calcolarlo usando l'altra espressione. Questo è:

Dovel​_v = 2256 kJ/kg per acqua liquida. Notando che in questo esempio c'è 1 kg di acqua, puoi calcolare:

Sommando entrambe le parti del processo si ottiene il calore totale richiesto:

Si noti ancora che la stragrande maggioranza dell'energia termica utilizzata in questo processo (come con il ghiaccio che si scioglie) è nella transizione di fase, non nella normale fase di riscaldamento.