Cosa succede quando la materia passa tra un solido, un liquido e un gas?

Tutte le sostanze attraversano transizioni di fase con l'aumento delle temperature. Quando si riscaldano, la maggior parte dei materiali iniziano come solidi e si sciolgono in liquidi. Con più calore, si trasformano in gas. Questo accade perché l'energia delle vibrazioni termiche nelle molecole sopraffà le forze che le tengono insieme. In un solido, le forze tra le molecole le mantengono in strutture rigide. Queste forze si indeboliscono notevolmente nei liquidi e nei gas, consentendo a una sostanza di fluire ed evaporare.

Gli scienziati chiamano solidi, liquidi e gas le fasi di una sostanza. Quando si scioglie, congela, bolle o condensa, subisce una transizione di fase. Sebbene molte sostanze abbiano comportamenti di transizione di fase simili, ognuna ha un insieme unico di temperature e pressioni che determinano a che punto si scioglie o bolle. Ad esempio, l'anidride carbonica si congela direttamente nel ghiaccio secco a meno 109 gradi Fahrenheit a pressioni normali. Ha una fase liquida solo ad alte pressioni.

Quando riscaldi un solido, la sua temperatura aumenta costantemente. Ogni grado di aumento della temperatura richiede circa la stessa quantità di energia termica. Una volta raggiunto il punto di fusione, tuttavia, la temperatura rimane costante fino a quando tutta la sostanza non si scioglie. Le molecole richiedono energia extra, chiamata calore di fusione, per liquefarsi. Tutta l'energia a questo punto va a rendere la sostanza un liquido. La stessa cosa accade per i liquidi bollenti. Richiedono energia, chiamata calore di vaporizzazione, per effettuare la transizione al gas. Una volta che tutta la sostanza ha effettuato la transizione, più energia aumenta nuovamente la temperatura.

Le forze tra le molecole, inclusa la forza di dispersione di Londra e il legame idrogeno, formano cristalli e altre forme solide quando le temperature sono sufficientemente basse. La forza delle forze determina la temperatura di fusione. Le sostanze con forze molto deboli fondono a basse temperature; forze forti richiedono temperature elevate. Se applichi abbastanza energia termica, alla fine tutte le sostanze si sciolgono o bollono.

Gli stessi meccanismi che regolano la fusione si applicano all'ebollizione. Le molecole in un liquido hanno forze deboli che le tengono insieme. Il calore li fa vibrare fortemente e li fa volare via dal resto. In un liquido bollente, alcune molecole avranno energie relativamente basse, la maggior parte ha un intervallo medio di energie e alcune hanno energie abbastanza alte da sfuggire completamente al liquido. Con più calore, più molecole fuoriescono. Nella fase gassosa, nessuna molecola è più legata l'una all'altra.