Passaggi di stato e stati della materia: schema ed esempi

Solido, liquido e gas: che cosa li distingue

Secondo il Glenn Research Center della NASA, in condizioni ordinarie qualunque sostanza si trova in uno di tre stati: solido, liquido o gassoso. Il tipo di molecola non c’entra. Conta quanto sono forti le forze che legano le particelle, e da quella forza dipendono forma e volume. Gli stessi tre stati compaiono sui libri anche come «stati di aggregazione».

Nel solido le molecole restano strette le une alle altre, quindi il pezzo di materia conserva la sua forma e occupa un volume fisso. Le particelle però si muovono: la voce «Solido» dell’Enciclopedia Treccani descrive atomi che hanno una posizione media fissa nello spazio e le oscillano attorno con piccoli spostamenti. Un solido si deforma poco, almeno finché le sollecitazioni non diventano troppo forti.

Nel liquido le forze tra le molecole sono più deboli. Il volume resta definito e cambia pochissimo anche se la pressione aumenta, mentre la forma è quella del recipiente. Con la gravità in alto si forma una superficie libera; in microgravità il liquido si raccoglie in una sfera. Nel gas i legami sono molto deboli e la sostanza si allarga fino a occupare tutto il contenitore, di cui prende forma e volume.

Liquidi e gas insieme si chiamano fluidi, perché scorrono. Le loro molecole si spostano di continuo e a caso, urtandosi tra loro e contro le pareti.

Esempio pratico: a pressione atmosferica normale l’acqua è liquida; la NASA ricorda che sotto 0 °C diventa ghiaccio e sopra 100 °C vapore acqueo. La molecola resta H₂O in tutti e tre i casi, perché un passaggio di stato è una trasformazione fisica e la composizione chimica della sostanza rimane quella.

Gas o vapore: il confine della temperatura critica

Nel linguaggio di tutti i giorni «gas» e «vapore» si usano come sinonimi. In fisica, spiega la voce «Vapore» della Treccani, un aeriforme si chiama vapore quando si trova sotto la sua temperatura critica e gas quando la supera. La distinzione ha una conseguenza pratica: un vapore torna liquido anche solo comprimendolo, a temperatura invariata, oppure raffreddandolo. Per l’acqua la temperatura critica è di gran lunga sopra i 100 °C, quindi l’aeriforme che sale da una pentola d’acqua bollente è, in senso stretto, vapore.

I sei passaggi di stato, lo schema

I cambiamenti di stato vanno a coppie, perché ogni passaggio ha il suo inverso. Fusione è il passaggio da solido a liquido e solidificazione il percorso contrario. Da liquido ad aeriforme si parla di evaporazione, che in condizioni particolari diventa ebollizione; il ritorno da aeriforme a liquido è la liquefazione, detta in particolare condensazione. Gli ultimi due saltano lo stato liquido: la sublimazione porta un solido direttamente allo stato aeriforme, il brinamento fa il cammino inverso, da vapore a solido.

Il «Dizionario delle Scienze Fisiche» della Treccani spiega che i passaggi verso stati meno aggregati richiedono di fornire calore, quelli inversi di toglierne.

Da	A	Nome del passaggio	Calore
Solido	Liquido	Fusione	Assorbito
Liquido	Solido	Solidificazione	Ceduto
Liquido	Aeriforme	Evaporazione (ebollizione)	Assorbito
Aeriforme	Liquido	Condensazione (liquefazione)	Ceduto
Solido	Aeriforme	Sublimazione	Assorbito
Aeriforme	Solido	Brinamento	Ceduto

Nel ciclo dell’acqua la sublimazione è la neve o il ghiaccio che diventano vapore senza prima fondere. Per l’USGS è più frequente con aria secca e vento e alle quote alte, dove la pressione dell’aria è minore, e ha bisogno di energia, per esempio una luce solare intensa come sul versante sud dell’Everest. Il brinamento trasforma invece il vapore acqueo direttamente in ghiaccio: succede nei fiocchi di neve e nella brina.

Esempio pratico: il ghiaccio secco è anidride carbonica solida. L’USGS indica che sublima a −78,5 °C, e a quella temperatura il blocco solido diventa gas.

Perché la temperatura si ferma: il calore latente

Mentre una sostanza cambia stato, il calore che riceve o che perde non ne modifica la temperatura. Per questo, spiega la Treccani, si parla di calore «latente»: c’è, ma il termometro non lo registra. Due passaggi inversi, come fusione e solidificazione, hanno lo stesso calore latente, e nel linguaggio tecnico si usano anche i nomi di entalpia di fusione e di evaporazione.

Le quantità in gioco sono molto diverse da un passaggio all’altro. L’USGS fa il conto per un grammo di ghiaccio: 80 calorie per fonderlo, 100 per portare l’acqua all’ebollizione e altre 540 per vaporizzarla, 720 calorie in tutto. La voce «Ebollizione» della Treccani dà per l’acqua a 100 °C un calore latente di vaporizzazione di 2257 kJ/kg (539 kcal/kg), circa 5,39 volte il calore necessario per scaldare la stessa massa da 0 a 100 °C. Il valore cambia da sostanza a sostanza, si riduce quando la temperatura sale e si annulla al punto critico.

Esempio pratico: in una pentola aperta al livello del mare l’acqua in ebollizione non va oltre i 100 °C. L’USGS osserva che dare più calore produce più vapore, mentre la temperatura resta quella.

Evaporazione ed ebollizione

L’evaporazione interessa soltanto la superficie del liquido e avviene a qualsiasi temperatura, tanto più lenta quanto più fa freddo. L’USGS lo dice con l’acqua: evapora facilmente al punto di ebollizione e molto più adagio vicino a quello di congelamento, ma evapora anche lì. Il motore è l’energia che spezza i legami tra le molecole. Un liquido che evapora usa la propria energia interna e quindi si raffredda, se dall’esterno non arriva altro calore.

Esempio pratico: l’alcol passato sulla pelle prima di un’iniezione dà una sensazione di freddo. L’USGS lo usa come esempio di evaporazione che sottrae calore a ciò che le sta intorno.

Nell’ebollizione si formano bolle di vapore dentro il liquido, salgono in superficie e si rompono liberando il vapore, così il fenomeno coinvolge tutta la massa. Succede quando la pressione del vapore nelle bolle raggiunge la pressione esterna. Il passaggio inverso è la condensazione, che per l’USGS avviene quando aria satura di vapore si raffredda: è l’acqua che compare sull’esterno di un bicchiere pieno di ghiaccio.

Pressione e punto di ebollizione

La temperatura di ebollizione varia da sostanza a sostanza e dipende dalla pressione esterna: più questa è alta, più si alza il punto di ebollizione. Per confrontare i valori si usa la temperatura «normale» di ebollizione, misurata a 1 atmosfera, cioè 101.325 Pa.

Salendo di quota la pressione atmosferica scende, e con lei la temperatura a cui l’acqua bolle. Secondo l’USGS l’acqua bolle a 100 °C al livello del mare e a 94,9 °C a 5.000 piedi; per rassodare un uovo serve più tempo.

Esempio pratico: la pentola a pressione fa il contrario della montagna. È chiusa, la pressione interna sale e l’acqua bolle a una temperatura superiore ai 100 °C: per questo, spiega l’USGS, il cibo cuoce più in fretta.

Anche ciò che è sciolto nell’acqua sposta il punto di ebollizione. Una soluzione bolle a una temperatura più alta del solvente puro, e la Treccani riporta che l’acqua satura di sale, a 1 atmosfera, bolle a circa 109 °C.

Fusione e solidificazione alla stessa temperatura

Ogni sostanza solidifica alla temperatura a cui fonde. Per farla solidificare bisogna toglierle calore, eppure durante il passaggio la temperatura non scende, e il calore sottratto per unità di massa è uguale a quello che serve per fonderla. Qui la pressione pesa molto poco, al contrario di quanto accade con l’ebollizione, e come riferimento si prende il valore a pressione atmosferica normale. Le sostanze disciolte abbassano il punto di solidificazione: l’acqua pura solidifica a 0 °C, quella di mare sotto lo zero.

Quasi tutte le sostanze si contraggono quando solidificano. L’acqua è tra le eccezioni, insieme a ghisa e bismuto, e infatti il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida: l’USGS ricorda che è il motivo per cui i cubetti galleggiano nel bicchiere.

Oltre solido, liquido e gas

A temperature e pressioni molto alte, come sul Sole o durante il rientro di un veicolo dallo spazio, gli atomi perdono elettroni. Si ottiene una miscela di atomi neutri, elettroni liberi e ioni che la NASA chiama plasma: scorre come un fluido e, avendo particelle cariche, risponde alle forze elettromagnetiche e ne produce, tanto che gli scienziati lo considerano una quarta fase della materia. Come nasce e dove si trova lo spiega il Recap sul plasma, il quarto stato della materia.

Dall’altra parte della scala delle temperature sta il condensato di Bose-Einstein: un gas di atomi portato a temperature bassissime, realizzato per la prima volta nel 1995.