Calore latente e cambiamenti di stato

Fornendo calore a un corpo, prima o poi si raggiunge il punto di fusione (solido → liquido) o quello di ebollizione (liquido → vapore). A quel punto succede qualcosa di sorprendente: pur continuando a ricevere calore, la temperatura resta costante per tutta la durata della transizione.

La spiegazione è microscopica. L’energia fornita non serve più a far oscillare più velocemente le molecole (cioè ad alzare la temperatura), ma a rompere i legami che le tengono unite nella fase di partenza. Fondere significa spezzare il reticolo solido; vaporizzare significa allontanare del tutto le molecole del liquido. Finché la transizione non è completa, ogni joule in più va a cambiare stato, non a scaldare.

Principio — Calore latente

Per cambiare di stato una massa $m$ di una sostanza serve un’energia $\ev{Q = m\,L}$ dove $L$ è il calore latente, proprietà della sostanza e della transizione. Si distinguono $L_f$ (fusione) e $L_v$ (vaporizzazione), con unità J/kg.

Sostanza	$L_f$ (kJ/kg)	$L_v$ (kJ/kg)
Acqua	334	2260
Etanolo	108	846
Mercurio	11	295
Azoto	25,7	200
Piombo	24,5	870

Perché sudare raffredda

L’acqua ha un $L_v$ enorme: ogni grammo che evapora dalla pelle porta via $2260$ J. È il motivo per cui la traspirazione è un meccanismo di raffreddamento così efficiente — molto più che il semplice contatto con l’aria.

Si noti la gerarchia dei numeri: per l’acqua $L_v$ è quasi sette volte $L_f$, e il calore latente di vaporizzazione supera di gran lunga l’energia necessaria a portare l’acqua da $0$ a $100\,°$C. Bollire è, energeticamente, molto più “caro” che scaldare.

Collegamenti

Argomenti: Termologia Concetti: Calore latente e cambiamenti di stato

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