LA MATERIA E I PASSAGGI DI STATO
(appunti essenziali da integrare con quanto spiegato in classe)
La materia è ogni cosa che ha una massa e un
volume e che quindi occupa uno spazio.
La materia che ci circonda può avere tre diversi
stati di aggregazione, detti anche FASI.
Nelle diverse fasi possiamo osservare proprietà
MACROSCOPICHE ( cioè visibili ad occhio
nudo) differenti che corrispondono ad una
diversa
organizzazione
MICROSCOPICA
delle PARTICELLE elementari di cui sono
formati tutti i corpi.
STATO SOLIDO: è la materia che ha un volume e una forma PROPRI. In questo caso, le particelle,
tenute insieme da forse molto intense, occupano posizioni ben definite e vicine, attorno alle quali
possono compiere movimenti limitati ovvero VIBRAZIONI, a seconda della temperatura del solido.
STATO LIQUIDO: ha un volume definito, ma la sua forma è variabile: assume la forma del
recipiente che la contiene. Nello stato liquido le particelle sono tenute insieme da forze meno intense, per
cui sono più libere di muoversi e “scivolano” una sull’altra.
STATO AERIFORME: è la materia che non ha un volume e non ha una forma ma occupa sempre
tutto lo spazio a disposizione. Nello stato aeriforme le particelle sono quasi completamente libere di
muoversi e le reciproche forze attrattive sono trascurabili.
Per quanto riguarda quest’ultimo stato, si fa differenza tra gas e vapori: i GAS non possono essere liquefatti
per semplice compressione (cioè aumento di pressione) I VAPORI invece possono essere liquefatti per
semplice compressione
Inoltre con la parola “FLUIDO” si intende indifferentemente una sostanza allo stato liquido o aeriforme.
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Lo stato di aggregazione di una sostanza dipende da due fattori: la temperatura e la pressione.
Consideriamo ad esempio una sostanza solida che si trovi a pressione costante, per esempio alla pressione di
una atmosfera, che si registra abitualmente al livello del mare.
Se aumentiamo la temperatura, aumenta lo stato di agitazione delle particelle e, ad un certo punto, si
“rompono” i legami che le tengono insieme, per cui la sostanza passa allo stato liquido. Se continuiamo a
riscaldare, l’agitazione delle particelle del liquido diventa tale che vengono vinte anche le deboli forze che
ancora le tengono insieme, per cui la sostanza passa allo stato aeriforme.
----- Per esempio, se riscaldiamo un pezzo di ferro, osserviamo che, quando la temperatura raggiunge i 1535
gradi centigradi, questo diventa liquido e se continuiamo a riscaldare, alla temperatura di 2750 gradi
centigradi,
questo
passa
allo
stato
aeriforme.
---- Analogamente, l’acqua solida (ghiaccio) riscaldando diventa liquida a 0 gradi centigradi e vapore
acqueo
a
100
gradi
centigradi,
sempre
alla
pressione
di
una
atmosfera.
Il processo contrario avviene se raffreddiamo una sostanza, per esempio un aeriforme, sempre a pressione
costante: rallenta il moto disordinato delle particelle; queste si avvicinano tra loro finchè le reciproche forze
attrattive cominciano a tenerle insieme dando origine al liquido. Se si continua nel raffreddamento, le
particelle rimangono poi “impacchettate”, formando un solido.
Lo stesso accade se, stavolta a temperatura costante, si aumenta la pressione di un aeriforme, in quanto le
particelle vengono costrette a stare sempre più vicine, man mano che si aumenta la pressione.
Si noti però che, per gli aeriformi, esiste una “TEMPERATURA CRITICA”, al di sopra della quale un gas
non può diventare liquido, neanche se sottoposto a pressioni elevatissime.
Il contrario avviene se si diminuisce la pressione, a temperatura costante. A ciò è dovuto il fatto che, in
montagna, dove la pressione atmosferica è più bassa, l’acqua bolle prima, a temperatura più bassa.
Le trasformazioni da uno stato di aggregazione ad un altro si chiamano “passaggi di stato”.
Essi
FUSIONE:
hanno
un
passaggio
nome
dallo
stato
ben
solido
a
quello
liquido.
quello
aeriforme.
VAPORIZZAZIONE:
passaggio
dallo
stato
liquido
CONDENSAZIONE:
passaggio
dallo
stato
aeriforme
a
quello
liquido.
SOLIDIFICAZIONE:
passaggio
liquido
a
quello
solido.
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dallo
stato
a
definito:
SUBLIMAZIONE: passaggio diretto dallo stato solido a quello aeriforme. (esempio la naftalina)
BRINAMENTO: passaggio diretto dallo stato aeriforme a quello solido. ( esempio la brina al mattino)
La vaporizzazione può avvenire in due modi: DIFFERENZA TRA EVAPORAZIONE ED EBOLLIZIONE.
L’evaporazione di un liquido avviene, in minima parte, a qualsiasi temperatura, in quanto, in superficie, vi è
sempre qualche particella che ha energia sufficiente per poter sfuggire all’attrazione delle altre particelle.
Diversa cosa è invece il fenomeno dell’ebollizione che interessa tutto il volume del liquido ed avviene ad
una ben precisa temperatura. Durante tutta l’ebollizione, la temperatura del liquido resta costante, in quanto
il calore fornito va ad indebolire i legami fra le particelle. Dopo un ragionevole tempo, tutto il liquido sarà
passato allo stato aeriforme. Il contrario della evaporazione è la condensazione, il contrario della ebollizione
è la liquefazione
Nello schema seguente possiamo vedere tutti i passaggi di stato possibili della materia:
In un grafico possiamo riportare l’andamento della temperatura durante un passaggio di fasew. Nella figura
è riportato l’esempio dell’acqua. Sulla retta orizzontale possiamo riportare il caloree che si da o si sottrate al
sistema, oppure anche il tempo.
Se leggiamo il grafico da sinistra a destra stiamo riscaldando, cioè dando calore.
Se leggiamo il grafico da destra a sinistra stiamo raffreddando, cioè sottraendo calore.
Durante i passaggi di stato, cioè nei tratti orizzontali c’è la SOSTA TERMICA, ovvero la temperatura si
MANTIENE COSTANTE durante tutta la trasformazione.
Il calore che diamo ( se stiamo riscaldando) o che stiamo togliendo ( se raffreddiamo) si chiama CALORE
LATENTE perché non serve a cambiare la temperatura ma solo
il tipo di legami tra le particelle.
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Durante i passaggi di stato, cioè nei tratti orizzontali c’è la SOSTA TERMICA, cioè la temperatura si
MANTIENE COSTANTE durante tutta la trasformazione.
Il calore che diamo ( se stiamo riscaldando) o che stiamo togliendo ( se raffreddiamo) si chiama CALORE
LATENTE perché non serve a cambiare la temperatura ma solo la forza e il tipo di legami tra le particelle.
TEMPERATURA
Tutte le particelle che costituiscono la materia sono in continuo movimento. Se tocco con un dito un oggetto
qualsiasi e sento la sensazione di caldo, vuol dire che le particelle che costituiscono quell’oggetto si
muovono più velocemente delle particelle che compongono un corpo che sento come freddo.
La temperatura è infatti la misura MACROSCOPICA dello stato di agitazione MEDIO delle particelle che
costituiscono un corpo: più veloci sono le particelle, più “caldo” è il corpo.
Il termometro è lo strumento che misura la temperatura e sfrutta il fenomeno della dilatazione termica.,
ovvero il fenomeno fisico che avviene quando è un corpo (liquido, gassoso o solido) aumenta di volume
ll'aumentare della temperatura.
Esistono diverse scale di temperatura a seconda dei punti di riferimento scelti.
SCALA CELSIUS: suddivide in 100 parti l’intervallo tra due punti fissi:
0° C: temperatura ghiaccio fondente
100 °C: temperatura acqua bollente (a pressione atmosferica)
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SCALA KELVIN: suddivide in 100 parti l’intervallo tra due punti fissi:
273 K: temperatura ghiaccio fondente
373 K: temperatura acqua bollente (a pressione atmosferica)
Le relazioni tra le due scale di temperatura sono:
Tk (temperatura in gradi kelvin)= Tc (temperatura in gradi Celsius) + 273
Tc (temperatura in gradi Celsius)= Tk (temperatura in gradi kelvin - 273
Le differenze di temperatura sono le stesse sia nella scala Celsius che nella scala Celsius perché entrambe
sono scale centigrade.
Esiste anche la scala FAHRENHEIT: suddivide in 180 parti l’intervallo (ma tra 32 e 212). Essa è usata nel
mondo anglosassone.
La temperatura ufficiale nel sistema Internazionale di misura è la temperatura KELVIN. Essa è detta anche
scala ASSOLUTA perché in essa non esistono temperature negative, ma solo dallo zero in poi.
La temperatura di un corpo può aumentare all’infinito, infatti nell’Universo osserviamo anche temperature
di
milioni
di
gradi
centigradi
all’interno
delle
stelle.
Esiste invece un limite inferiore per la temperatura: più le particelle che costituiscono un corpo si muovono
lentamente, più il corpo è freddo. Ma non può esistere un freddo “più freddo” di “particelle ferme”. Esiste
infatti una legge fisica della TERZO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA che dice che esiste un limite
inferiore per la temperatura che viene chiamato lo ZERO ASSOLUITO. Questa temperatura corrisponde a 0
K
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ovvero
-273°C
ed
è
solo
un
limite
ideale
che
non
può
essere
MAI
raggiunto.
LA PENTOLA A PRESSIONE
Generalmente, per lessare completamente delle patate in acqua bollente occorrono dai 20 ai 30 minuti di
cottura. In una pentola a pressione spesso basta un decimo del tempo: in 3 – 5 minuti le patate vengono
completamente lessate. Come è possibile?
In una pentola l’acqua bolle a circa 100 °C e, per quanto sia alto il calore
fornito, il liquido mantiene pressoché quella temperatura: il calore aggiuntivo
aumenta unicamente la creazione di vapor d’acqua che esce liberamente dalla
camera di cottura, così la pressione non supera i valori atmosferici e la
temperatura i 100° C.
Invece, nella pentola a pressione il vapore resta intrappolato, così la pressione
e la temperatura si alzano.: infatti la pentola a pressione è dotata di un
particolare coperchio a incastro, dotato di una guarnizione di gomma per trattenere quindi il vapore e
assicurare una chiusura ermetica . Il vapore che si produce durante l’ebollizione dell’acqua si accumula
quindi all’interno della pentola, aumentando di conseguenza la pressione. Questo sbalzo fa salire il punto
di ebollizione dell’acqua, che diventa quindi molto più calda riducendo il tempo di cottura complessivo per
il ciboLa pentola a pressione comunemente utilizzata in casa deriva dal “digestore a vapore” brevettato nel
1679 in Gran Bretagna dal fisico francese Denis Papin. Nei modelli moderni si forma una pressione doppia
rispetto a quella dell’aria: ciò fa sì che l’acqua bolla a 122 °C e non più a 100 °C.
La valvola sul coperchio serve a regolare la pressione evitando che superi valori troppo alti. Infatti c’è un
foro a cui è applicato un piccolo peso che serve a equilibrare la pressione, in modo che il vapore in eccesso
possa essere rilasciato dalla caldaia. Nel caso, molto raro, in cui questo meccanismo si inceppi, una valvola
di sicurezza garantisce il rilascio del vapore prima che la pentola a pressione possa diventare pericolosa.
La rapidità assicurata da questa particolare pentola permette una cottura omogenea dei cibi, che
generalmente mantengono inalterate molte sostanze nutrienti in più rispetto alla cottura tradizionale.
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