Stati della materia. Esempio. Fusione e solidificazione. Esempio. Stati di aggregazione della materia

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1 Stati della materia STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA E GAS PERFETTI Cosa sono gli stati della materia? Gli stati della materia sono come si presenta la materia nell universo fisico e dipendono dalla temperatura e dalla pressione. 2 Quando si fa bollire l acqua si osserva dopo un po di tempo che l acqua scompare. L acqua contenuta nel recipiente cambia stato fisico, passa dallo stato liquido allo stato Stati di aggregazione della materia Gli stati di aggregazione della materia sono come si presentano legate tra di loro le molecole che costituiscono un determinato materiale e dipendono dalla temperatura e dalla pressione. Si chiamano passaggi di stato le trasformazioni fisiche della materia che fanno mutare il suo stato di aggregazione. 3 4 In inverno se la temperatura passa sotto il punto di congelamento dell acqua i laghi gelano, tuttavia il processo non è istantaneo ma richiede un po di tempo, perché la solidificazione dell acqua avviene a temperatura costante e richiede calore dall esterno. La fusione è il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido. La solidificazione è il dallo stato liquido allo stato La fusione avviene tramite somministrazione di calore, mentre la solidificazione avviene tramite sottrazione di calore che viene restituito allo spazio circostante. 5 6

2 7 Durante la fusione e la solidificazione la sostanza rimane alla stessa temperatura, questo fenomeno si verifica fino a quando persistono sia lo stato liquido sia lo stato Molte sostanze fondono a un preciso valore di temperatura, caratteristico della sostanza, chiamato punto di fusione, punto di fusione e di solidificazione coincidono. Il calore latente di fusione è la quantità di calore necessaria per fondere completamente 1 Kg di sostanza alla temperatura di fusione. Fusione brusca: fusione dei solidi cristallini, fondono ad un preciso valore di Fusione pastosa: le sostanze amorfe non hanno un preciso punto di fusione e non rimangono alla stessa temperatura durante ilo processo di fusione. 8 Quando si rovescia sulla mano una goccia di alcool o di gas liquido la sostanza evapora molto velocemente e procura una sensazione di freddo, perché ha assorbito calore dalla pelle. 9 L evaporazione è un fenomeno che viene usato nelle saline per ricavare il sale dall acqua di mare. Vengono riempite delle vasche e l acqua viene fatta lentamente evaporare, in seguito si raccoglie il sale come deposito. 10 Vaporizzazione e condensazione La vaporizzazione è il dallo stato liquido allo stato La condensazione è il dallo stato aeriforme allo stato liquido. La vaporizzazione può avvenire secondo due modalità diverse, o per evaporazione, ossia poco alla volta le molecole più superificiali passano dallo stato liquido allo stato di vapore oppure per ebollizione, in questo caso tutta la massa del liquido passa allo stato di vapore. 11 Vaporizzazione e condensazione Ogni liquido a pressione costante bolle sempre alla stessa temperatura chiamata punto di ebollizione. Durante l ebollizione la temperatura del liquido rimane costante. Evaporazione e ebollizione richiedono calore dall ambiente per avvenire, mentre la condensazione genera calore. Si chiama calore latente di vaporizzazione di un liquido la quantità di calore che deve essere somministrata a una massa unitaria di liquido affinché essa si trasformi in vapore. 12

3 13 Per evitare che i vestiti siano divorati dalle tarme negli armadi si usa la naftalina, una sostanza che emana un odore pungente, perché sublima, ossia passa dallo stato solido allo stato gassoso. Sublimazione Si chiama sublimazione il passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato Si chiama brinamento il passaggio dallo stato aeriforme allo stato Durante la sublimazione la sostanza assorbe calore dall esterno, mentre durante il brinamento cede calore. 14 Lo stato liquido è legato alla pressione, se la pressione è troppo bassa non esiste. Su Marte il ghiaccio contenuto nelle calotte glaciali sublima durante l estate per brinare poi durante l inverno. Cambiamenti di stato dal punto di vista microscopico Dal punto di vista microscopico all aumentare della temperatura aumenta anche l energia cinetica media molecolare. A un certo punto tale energia rompe i legami tra le molecole che sostengono lo stato solido e la sostanza passa allo stato liquido. Il calore latente di fusione è la quantità di calore necessaria per sostenere questo processo. Lo stato liquido è in equilibrio con la pressione. La pressione deve essere tale da sostenere alcuni legami tra le molecole. Nel vuoto esistono soltanto lo stato solido e lo stato Gas Cosa è un gas? Un gas è una sostanza o una miscela di sostante allo stato gassoso, ossia le sue molecole non sono legate tra di loro. L aria è una miscela gassosa composta da azoto, ossigeno e altri gas. Per la nostra vita è fondamentale l ossigeno che introduciamo nel nostro organismo tramite la respirazione

4 19 Stato gassoso Un gas non ha né volume né forma propria. Lo stato fisico di un gas è caratterizzato, oltre alla massa, da tre grandezze: volume, pressione e temperatura che si chiamano variabili di stato del gas. Si chiamano trasformazioni di stato di un gas quei processi che provocano un cambiamento dei valori delle variabili di stato. Trasformazione isoterma Per trasformazione isoterma temperatura costante. isoterma vale la legge di Boyle-Mariotte: il volume del gas varia in modo inversamente proporzionale alla sua pressione. P V = k dove P = pressione, V = volume e k è una costante di proporzionalità che varia con la temperatura, in particolare aumenta all aumentare della 20 Trasformazione isocora Per trasformazione isocora volume costante. isocora vale la legge di Gay-Lussac : la pressione del gas varia in modo proporzionale alla sua P = P o ( 1 + ( 1/273 ) t ) dove P = pressione, P o = pressione iniziale e t = temperatura espressa in gradi celsius. Trasformazione isobara Per trasformazione isobara pressione costante. isobara vale la legge di Gay-Lussac : il volume del gas varia in modo proporzionale alla sua V = V o ( 1 + ( 1/273 ) t ) dove V = pressione, V o = pressione iniziale e t = temperatura espressa in gradi celsius Gas perfetto Un gas perfetto rispetta la legge di Boyle e Gay Lussac. In un gas perfetto il volume delle molecole e le forze attrattive tra di loro sono trascurabili. I gas perfetti sono un modello molto utile per studiare il comportamento dei gas ma sono un approssimazione del comportamento reale. Gli unici gas che si comportano come i gas perfetti sono i gas nobili: elio, neon, argon, kripton, radon, xenon. 23 Equazione di stato dei gas perfetti Ponendo insieme la legge di Boyle e la legge di Gay Lussac si ottiene l equazione di stato dei gas perfetti. P V = n R T dove P = pressione, T = temperatura in gradi kelvin, n = numero di moli = massa ( g ) / peso molecolare. R = costante di stato dei gas perfetti = 8,314 J / ( mol k ). La mole è un quantitativo di sostanza che contiene un numero fisso di molecole ossia N = n avogadro = 6,

5 25 Teoria cinetica dei gas perfetti Il modello cinetico dei gas perfetti consente di descrivere il comportamento di un gas tramite le proprietà dello loro molecole. Come modello delle molecole e della pressione si usa: Le molecole sono punti materiali privi di dimensione ma dotati di massa e in continuo movimento, con velocità v all interno del recipiente che contiene il gas. La pressione di un gas contenuto in un recipiente è dovuta agli urti che le particelle, cioè le molecole, compiono contro le pareti del recipiente. Pressione, temperatura e teoria cinetica dei gas perfetti Nel modello della teoria cinetica dei gas si giunge alla conclusione per la pressione: P = 1/3 d v 2 dove P = pressione, d = densità del gas e v = velocità media delle molecole. V = 3P / d. Per quanto riguarda la temperatura invece: E C = ½ M v 2 Sostituendo usando l espressione per la pressione e l equazione di stato dei gas perfetti si ottiene: E C = 3/2 P V = 3/2 R T dove M = massa molare e T = temperatura in gradi kelvin. 26 Energia interna di un gas Si chiama energia interna di un gas la somma delle energie cinetiche di tutte le sue molecole. L energia interna di un sistema materiale è l energia che compete alle particelle che lo costituiscono, e si manifesta come energia cinetica associata ai movimenti delle molecole e come energia potenziale associata alle forze di coesione molecolare. Per quanto riguarda i gas perfetti, avendo trascurato tutte le forze di coesione, l energia interna dipende solamente dalla temperatura assoluta del gas. 27

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