Processi
Endotermici ed Esotermici
Il Concetto Chiave Nei Passaggi Di Stato Fisico
Il Calore Latente
Un Esempio
Il Cammino Di Una Goccia D’Acqua In Atmosfera
Presentazioni
L’Acqua Nei Suoi Stati Di Aggregazione
Un Caso Particolare Dell'Evaporazione
Il Punto Di Ebollizione
PROCESSI
ENOTERMICI ED ESOTERMICI
I fenomeni naturali sono l’esempio di come l’ambiente e i sistemi che lo compongono s’interfacciano tra loro. Virtualmente è come se ci fosse un sistema virtuoso e ricorrente che collega tali enti, all’interno del quale l'energia può trasformarsi senza disperdersi.
Fig 1. Un processo Esotermico trasferisce energia dal sistema all’ambiente, mentre uno Endotermico richiede energia all’ambiente.
Ora, se consideriamo l’atmosfera terrestre “l’ambiente” e i sistemi che lo compongono presi singolarmente “il sistema”, ecco che abbiamo due enti che comunicano tra loro nel modo appena descritto.
In particolare, fenomeni come Brinamento e Condensazione cedono energia, mentre altri come Evaporazione e Sublimazione la richiedono; in quest'ultimo caso, ad esempio si pensi al calore del sole impiegato per far evaporare uno strato di brina o di neve.
Comunque, a ben vedere siamo circondati da questo tipo di fenomeni; la condensazione del vapore acqueo sopra una bevanda calda, il fenomeno d’appannamento delle lenti degli occhiali quando da un ambiente freddo si passa ad un caldo, la condensazione del nostro respiro in una fredda giornata d'inverno, rappresentano solo una parte di come tali processi plasmano l'acqua presente in atmosfera.
Il meccanismo illustrato in figura 1, per cui ad un rilascio d’energia corrisponde sempre il suo assorbimento, dimostra quindi come l’energia non si crei e non si distrugga, ma semplicemente si conservi trasformandosi continuamente da una forma ad un’altra.
IL CONCETTO CHIAVE NEI PASSAGGI DI STATO FISICO
IL CALORE LATENTE
Finora si è esclusivamente parlato dei processi che regolano i meccanismi naturali, ma a chi compete il trasporto di gran parte del carico energetico necessario allo sviluppo dei fenomeni meteorologici? E ancora, chi lo quantifica?
E’ la molecola d’acqua nei suoi differenti stati fisici a trasportare l’energia, mentre chi si occupa di quantificarla è una grandezza fisica detta calore latente.
Per definizione, il calore latente è la quantità d'"energia termica” che occorre fornire all'unità di campione per farlo cambiare di fase; tradotto in termini matematici:
Q = m x L Da Cui Q/m = L Dove L è Il Calore Latente
Si ha quindi una relazione espressa da tre grandezze fisiche, in cui Q [cal o J] è il calore scambiato, m [Kg] la massa della sostanza e L [cal/Kg o J/Kg] la quantità di calore che serve per avere il passaggio di stato fisico dell’unità di sostanza. Quindi, dato 1 Kg d’acqua è possibile sapere l’energia necessaria ai corrispondenti passaggi di stato fisico.
Fig. 2 Calore latente nei cambiamenti di fase di 1 Kg d’acqua ( 1 Caloria = 4.184Joule ).
Un vogatore di 80 Kg che rema per un’ora consuma dalle 576-680 Kilocalorie, in bicicletta invece dalle 540-840Kilcalorie; si pensi che soltanto nelle scariche elettriche di un temporale sono invece liberati miliardi di calorie.
In particolare, dalla figura 2 si osserva che per fondere un cubo di ghiaccio da 1 Kg servono 80 Kilocalorie, mentre per farlo evaporare ne occorre circa sette volte tanto (539kilocalorie). Da questo, si comprende perché un’ingente quantità di vapore sia una fonte energetica di rilevante importanza per lo sviluppo e il mantenimento di violenti fenomeni atmosferici (come uragani, supercelle, intense depressioni, ecc…).
E a livello molecolare, quali sono gli effetti del calore latente sull'acqua?
Fig. 3 Disegno di una molecola d’acqua.
Prendiamo il noto fenomeno di quando l'acqua bolle (cioè evapora in ogni suo punto).
Consideriamo quindi un dato volume d'acqua come una catena di molecole a cui forniamo energia termica. Ora, fino al punto di ebollizione l’energia sarà impegnata nel far innalzare la temperatura del nostro volume d’acqua (aumento dell’agitazione delle molecole), ma da tale punto in poi, essa verrà impiegata soltanto per permettere alle molecole d’acqua di portarsi a vapore acqueo (cambiamento di fase a temperatura costante); pertanto l'agitazione molecolare aumenta all'aumentare della temperatura, e in particolare diviene massima al raggiungimento del punto di ebollizione.
Altrettanto avviene per un miscuglio di acqua e ghiaccio che si scioglie: in questo caso la temperatura resta costante fino alla completa fusione del ghiaccio.
Fig. 4. La temperatura rappresenta un indice dell’agitazione molecolare di ciò misuriamo; così, ad esempio i ballerini di un ballo lento si muovono lentamente perchè la loro energia cinetica è bassa, ma se il ritmo aumenta, ecco che iniziano a muoversi più velocemente e con più forza perchè è aumentata la loro energia cinetica (le distanze tra loro divengono maggiori, l’agitazione si fa più elevata e di conseguenza aumenta la libertà di movimento).
In conclusione, si ha che ad un cambiamento di fase dell'acqua corrisponde un trasferimento di energia termica di valore pari a quello espresso dal calore latente, il quale, risulterà di cessione o acquisizione a seconda del tipo di reazione (endotermica o esotermica).
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