CURVA DI RISCALDAMENTO: COS'È, COME SI FA, ESEMPI - FISICO - 2024

Una curva di riscaldamento è la rappresentazione grafica di come varia la temperatura di un campione in funzione del tempo, mantenendo la pressione costante e aggiungendo calore in modo uniforme, cioè a velocità costante.

Per costruire un grafico di questo tipo si prendono coppie di valori di temperatura e tempo, che vengono successivamente rappresentati graficamente posizionando la temperatura sull'asse verticale (ordinate) e l'ora sull'asse orizzontale (ascisse).

Figura 1. La curva di riscaldamento di una sostanza si ottiene aggiungendo calore e misurando la temperatura ogni certo intervallo di tempo. Fonte: Pixabay.

Quindi viene adattata la curva più appropriata a questi punti sperimentali e infine si ottiene un grafico della temperatura T in funzione del tempo t: T (t).

Qual è la curva di riscaldamento?

Quando viene riscaldata, una sostanza attraversa diversi stati in successione: da solido può diventare vapore, passando quasi sempre allo stato liquido. Questi processi sono chiamati cambiamenti di stato, in cui il campione aumenta la sua energia interna mentre viene aggiunto calore, come indicato dalla teoria cinetica molecolare.

Quando si aggiunge calore a un campione ci sono due possibilità:

- La sostanza aumenta la sua temperatura, dato che le sue particelle vengono agitate con maggiore intensità.

- Il materiale sta attraversando un cambio di fase, in cui la temperatura rimane costante. L'aggiunta di calore ha l'effetto di indebolire in una certa misura le forze che tengono insieme le particelle, motivo per cui è facile passare dal ghiaccio all'acqua liquida, per esempio.

La figura 2 mostra i quattro stati della materia: solido, liquido, gas e plasma, ei nomi dei processi che consentono la transizione tra di loro. Le frecce indicano la direzione del processo.

Figura 2. Gli stati della materia e dei processi necessari al passaggio tra l'uno e l'altro. Fonte: Wikimedia Commons.

-Modifiche di stato in una sostanza

Partendo da un campione allo stato solido, quando si scioglie passa allo stato liquido, quando vaporizza si trasforma in gas e per ionizzazione si trasforma in plasma.

Il solido può essere convertito direttamente in un gas mediante un processo noto come sublimazione. Esistono sostanze che sublimano facilmente a temperatura ambiente. Il più noto è la CO ₂ o ghiaccio secco, oltre a naftalene e iodio.

Mentre il campione subisce un cambiamento di stato, la temperatura rimane costante fino a quando non raggiunge il nuovo stato. Ciò significa che se, ad esempio, hai una porzione di acqua liquida che ha raggiunto il punto di ebollizione, la sua temperatura rimane costante finché tutta l'acqua non si è trasformata in vapore.

Per questo motivo, la curva di riscaldamento dovrebbe essere composta da una combinazione di sezioni crescenti e sezioni orizzontali, dove queste ultime corrispondono a cambiamenti di fase. Una di queste curve è mostrata nella Figura 3 per una data sostanza.

Figura 3. Una curva di riscaldamento di una data sostanza, con la configurazione tipica basata su gradini e pendenze.

Interpretazione della curva di riscaldamento

Negli intervalli di crescita ab, cd ed ef la sostanza si trova rispettivamente come un solido, un liquido e un gas. In queste regioni l'energia cinetica aumenta e con essa la temperatura.

Mentre in bc sta cambiando il suo stato da solido a liquido, quindi le due fasi coesistono. Questo accade nella sezione di, in cui il campione cambia da liquido a gas. Qui l'energia potenziale sta cambiando e la temperatura rimane costante.

È possibile anche la procedura inversa, ovvero il campione può essere raffreddato per adottare successivamente altri stati. In questo caso parliamo di una curva di raffreddamento.

Le curve di riscaldamento hanno lo stesso aspetto generale per tutte le sostanze, anche se ovviamente non gli stessi valori numerici. Alcune sostanze impiegano più tempo di altre per cambiare stato e si sciolgono e vaporizzano a temperature diverse.

Questi punti sono noti rispettivamente come punto di fusione e punto di ebollizione e sono caratteristiche di ciascuna sostanza.

Ecco perché le curve di riscaldamento sono molto utili, poiché indicano il valore numerico di queste temperature per milioni di sostanze che esistono come solidi e liquidi nell'intervallo di temperature considerate normali e alla pressione atmosferica.

Come si fa una curva di riscaldamento?

In linea di principio è molto semplice: è sufficiente posizionare un campione di sostanza in un contenitore dotato di agitatore, inserire un termometro e riscaldare in modo uniforme.

Contemporaneamente, all'inizio della procedura, viene attivato un cronometro e di volta in volta vengono annotate le corrispondenti coppie temperatura-tempo.

La fonte di calore può essere un bruciatore a gas, con una buona velocità di riscaldamento, oppure una resistenza elettrica che emette calore quando riscaldata, che può essere collegata ad una fonte variabile per ottenere potenze diverse.

Per una maggiore precisione esistono due tecniche ampiamente utilizzate nel laboratorio di chimica:

- Analisi termica differenziale.

- Calorimetria differenziale a scansione.

Confrontano la differenza di temperatura tra il campione in esame e un altro campione di riferimento con una temperatura di fusione elevata, quasi sempre un ossido di alluminio. Con questi metodi è facile trovare i punti di fusione e di ebollizione.

Esempi (acqua, ferro …)

Considera le curve di riscaldamento per acqua e ferro mostrate in figura. La scala temporale non è mostrata, tuttavia è immediato distinguere le temperature di fusione per entrambe le sostanze che corrispondono al punto B di ogni grafico: per l'acqua 0 º C, per il ferro 1500 º C.

Figura 4. Curve di riscaldamento per acqua e ferro.

L'acqua è una sostanza universale e l'intervallo di temperature necessario per vederne i cambiamenti di stato è facilmente raggiungibile in laboratorio. Per il ferro sono necessarie temperature molto più elevate, ma come notato sopra, la forma del grafico non cambia sostanzialmente.

Sciogliendo il ghiaccio

Durante il riscaldamento del campione di ghiaccio, secondo il grafico siamo al punto A, ad una temperatura inferiore a 0 ° C. Si osserva che la temperatura aumenta a velocità costante fino a raggiungere 0 ° C.

Le molecole d'acqua all'interno del ghiaccio vibrano con maggiore ampiezza. Una volta raggiunta la temperatura di fusione (punto B), le molecole possono già muoversi una di fronte all'altra.

L'energia che arriva viene investita nel ridurre la forza di attrazione tra le molecole, quindi la temperatura tra B e C rimane costante fino a quando tutto il ghiaccio si è sciolto.

Trasformare l'acqua in vapore

Una volta che l'acqua è completamente allo stato liquido, la vibrazione delle molecole aumenta di nuovo e la temperatura aumenta rapidamente tra C e D fino al punto di ebollizione di 100 ° C. Tra D ed E la temperatura rimane a quel valore mentre l'energia che arriva fa sì che tutta l'acqua nel contenitore evapori.

Se tutto il vapore acqueo può essere contenuto in un contenitore, può continuare a riscaldarsi dal punto E al punto F, il cui limite non è mostrato nel grafico.

Un campione di ferro può subire questi stessi cambiamenti. Tuttavia, data la natura del materiale, gli intervalli di temperatura sono molto diversi.

Riferimenti

1. Atkins, P. Principles of Chemistry: The Paths of Discovery. Editoriale Médica Panamericana. 219-221.
2. Chung, P. Curve di riscaldamento. Recupero da: chem.libretexts.org.
3. Curve di riscaldamento. Calore di fusione e vaporizzazione. Estratto da: wikipremed.com.
4. Hewitt, Paul. 2012. Scienze fisiche concettuali. 5 °. Ed. Pearson. 174-180.
5. Università di Valladolid. Laurea in Chimica, Recupero da: accommodation.uva.es.