Diagramma di stato

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DIAGRAMMI DI STATO O DI FASE
Sappiamo tutti che una sostanza si può presentare in tre modi: come solido o come liquido o come gas. Ognuno di questi modi si chiama fase: perciò abbiamo la fase solida, la fase liquida e la fase gassosa. Il fatto che una particolare sostanza si presenti in una fase piuttosto che in un’altra dipende dalle proprietà termiche a cui è sottoposta. Per capire questo concetto, immaginati l’acqua. Alla pressione ambiente (Pressione = 1atm @ bar  @ 100.000 Pa), se la temperatura (T) è al di sotto di 0°C essa è in fase solida: per temperature comprese fra 0°C e 100°C essa è in fase liquida: per temperature oltre i 100°C essa è in fase gassosa. Ora considera di immettere l’acqua dentro una pentola a pressione e di portare la pressione (P)  al valore di 2bar: a questa pressione l’acqua diventa vapore se la temperatura sale oltre 100°C, più esattamente se giunge al valore di 120°C circa. Se all’opposto volessimo ghiacciare l’acqua sottoponendola alla pressione di 2bar misureremo che essa congela ad una temperatura leggermente inferiore a 0°C.
Da questo esempio è evidente che la presenza di una particolare fase dipende dalla temperatura e dalla pressione a cui è sottoposta la sostanza: per evidenziare questa proprietà si introducono i diagrammi di stato o di fase. I diagrammi di stato o diagrammi di fase mostrano ad ogni valore di pressione e temperatura, i limiti di esistenza delle fasi: solida, liquida e gassosa.
Per capire come disegnare i diagrammi di stato e come utilizzarli, consideriamo un sistema costituito da un solo componente, l'acqua.

Misuriamo le coppie di parametri P e T a cui l'acqua passa dalla fase solida a quella liquida e poi le coppie dei parametri a cui passa da liquida a vapore. Dopodiché notiamo che, sperimentalmente, l’acqua non si presenta mai sotto forma di liquido se la pressione è minore di 4,58mmHg ma passa direttamente dalla fase solida a quella di vapore e viceversa (sublimazione , orinazione): misuriamo quindi anche le coppie dei parametri P e T dove avviene questo passaggio di fase sotto i 4,58mmHg. Quindi portiamo queste tre curve in un grafico P/T, P sull’asse y e T sull’asse x: esse risultano rispettivamente le curve (a) , (b) e (c). Per la sostanza in questione queste sono le linee che indicano il cambiamento di stato; in pratica tali linee danno il valore della temperatura T a cui avviene un passaggio di stato una volta che è stata fissata la pressione P. Nei campi individuati all'interno di queste linee si individuano le regioni di esistenza del solido, del liquido e del vapore. Il grafico così ottenuto è il diagramma di stato.

Figura 1: Diagramma di fase dell'ACQUA
Nel diagramma di fase sono evidenziati due punti termodinamicamente importanti:
il punto triplo, dove è possibile far coesistere in equilibrio tutte e tre le fasi (in pratica, è quel punto dove possiamo trovare contemporaneamente solido, liquido e vapore insieme): per l’acqua il punto critico si ha per una pressione di 4,58mmHg e una temperatura di 0,01 °C. Per pressioni minori di quella del punto critico non esiste più fase liquida e la sostanza si presenta solo o come ghiaccio o come vapore. Questo è il motivo per cui nello spazio non c’è alcun liquido: la pressione del vuoto è praticamente zero e perciò le molecole delle sostanze o solidificano o vaporizzano.
il punto critico, dove il vapore è così compresso che la sua densità diventa quella del liquido. Per l’acqua, il punto critico si raggiunge alla pressione di 22MPa e alla temperatura di 347 °C. Il punto critico evidenzia l’esistenza di una quarta fase della materia, non evidente a temperature e pressioni ambientali: quella del fluido supercritico, cioè  una fase dove le proprietà del fluido (ad esempio la densità)  sono in parte analoghe a quelle di un liquido ed in parte simili e quelle di un gas.

Qua sotto è riportato il diagramma di fase dell’anidride carbonica.

Figura 2 Diagramma di fase dell'ANIDRIDE CARBONICA
Il punto critico si ha per P=73 atm e T = 31,1°C. Il punto triplo cade a P=5,11 atm , T=-56,4°C. Per P=1atm la temperatura di solidificazione è T=-78,5°C; questo spiega come mai sulla Terra l’anidride carbonica è sempre gassosa: per solidificarsi bisognerebbe portarla ad un temperatura inferiore a -78,5°C. Il diagramma spiega anche perché sulla Terra non è possibile mai avere l’anidride carbonica in fase liquida: la pressione sulla Terra è minore di 5,11 atmosfere, cioè della pressione del punto triplo.

 

Fonte: http://digilander.libero.it/amaccioni1/Documenti/U_DIAGRAMMI%20DI%20FASE.doc

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