Calore latente

Calore latente, energia assorbita o rilasciata da una sostanza durante un cambiamento del suo stato fisico (fase) che avviene senza cambiare la sua temperatura. Il calore latente associato alla fusione di un solido o al congelamento di un liquido è chiamato calore di fusione; quello associato alla vaporizzazione di un liquido o di un solido o alla condensazione di un vapore è chiamato calore di vaporizzazione. Il calore latente è normalmente espresso come la quantità di calore (in unità di joule o calorie) per mole o unità di massa della sostanza che subisce un cambiamento di stato.

Per esempio, quando una pentola d’acqua viene tenuta in ebollizione, la temperatura rimane a 100 °C (212 °F) finché l’ultima goccia non evapora, perché tutto il calore aggiunto al liquido viene assorbito come calore latente di vaporizzazione e portato via dalle molecole di vapore che escono. Allo stesso modo, mentre il ghiaccio si scioglie, rimane a 0 °C (32 °F), e l’acqua liquida che si forma con il calore latente di fusione è anche a 0 °C. Il calore di fusione dell’acqua a 0 °C è di circa 334 joule (79,7 calorie) per grammo, e il calore di vaporizzazione a 100 °C è di circa 2.230 joule (533 calorie) per grammo. Poiché il calore di vaporizzazione è così grande, il vapore trasporta una grande quantità di energia termica che viene rilasciata quando si condensa, rendendo l’acqua un eccellente fluido di lavoro per i motori termici.

Il calore latente deriva dal lavoro richiesto per superare le forze che tengono insieme gli atomi o le molecole in un materiale. La struttura regolare di un solido cristallino è mantenuta da forze di attrazione tra i suoi singoli atomi, che oscillano leggermente intorno alle loro posizioni medie nel reticolo cristallino. Con l’aumento della temperatura, questi movimenti diventano sempre più violenti finché, al punto di fusione, le forze di attrazione non sono più sufficienti a mantenere la stabilità del reticolo cristallino. Tuttavia, è necessario aggiungere ulteriore calore (il calore latente di fusione) (a temperatura costante) per realizzare la transizione allo stato liquido ancora più disordinato, in cui le singole particelle non sono più tenute in posizioni fisse del reticolo ma sono libere di muoversi nel liquido. Un liquido differisce da un gas in quanto le forze di attrazione tra le particelle sono ancora sufficienti a mantenere un ordine a lungo raggio che conferisce al liquido un certo grado di coesione. Quando la temperatura aumenta ulteriormente, si raggiunge un secondo punto di transizione (il punto di ebollizione) dove l’ordine a lungo raggio diventa instabile rispetto ai movimenti largamente indipendenti delle particelle nel volume molto più grande occupato da un vapore o un gas. Ancora una volta, deve essere aggiunto ulteriore calore (il calore latente di vaporizzazione) per rompere l’ordine a lungo raggio del liquido e realizzare la transizione allo stato gassoso ampiamente disordinato.

Il calore latente è associato a processi diversi dai cambiamenti tra le fasi solida, liquida e di vapore di una singola sostanza. Molti solidi esistono in diverse modificazioni cristalline, e le transizioni tra queste generalmente comportano l’assorbimento o l’evoluzione del calore latente. Il processo di dissoluzione di una sostanza in un’altra spesso comporta calore; se il processo di soluzione è un cambiamento strettamente fisico, il calore è un calore latente. A volte, tuttavia, il processo è accompagnato da un cambiamento chimico, e parte del calore è quello associato alla reazione chimica. Vedi anche fusione.