Definizione di calore di vaporizzazione
Anche noto come entalpia di vaporizzazione, il calore di vaporizzazione (∆Hvap) è definito dalla quantità di entalpia (energia termica) che è necessaria per trasformare una sostanza liquida in un gas o vapore. Si misura in Joule per mole (J/mol), o a volte in Calorie (C).
Calore di vaporizzazione spiegato
Il calore di vaporizzazione ha sempre un valore positivo perché l’entalpia è sempre aggiunta a un sistema per vaporizzare un liquido. Come le molecole guadagnano più energia cinetica, è più probabile che si separino dal liquido e diventino un gas.
L’aumento richiesto di energia interna può essere descritto come l’energia necessaria per rompere le interazioni intermolecolari nel liquido. Più debole è il legame tra gli atomi, meno energia è necessaria per rompere quei legami.
La quantità di energia richiesta è una funzione della pressione a cui avviene la trasformazione, e dipende dalla temperatura. Più il liquido è già caldo, meno energia è richiesta. A pressioni più alte, è richiesta più energia. C’è una temperatura critica alla quale il calore di vaporizzazione svanisce (Tr=1). Oltre questa temperatura critica, la sostanza non è distinguibile né come liquido né come vapore. Invece, diventa nota come un fluido supercritico.
In una soluzione che contiene sia lo stato liquido che quello gassoso, l’energia cinetica del vapore è superiore a quella del liquido perché le particelle di vapore sono in grado di scorrere più facilmente. Il maggior movimento delle particelle di gas rispetto a quelle di liquido crea calore e pressione.
Formula del calore di vaporizzazione
Un’equazione molto semplice per calcolare il calore di vaporizzazione è:
ΔHvap = Hvapor – Hliquid
Questo calcola la differenza di energia interna della fase vapore rispetto alla fase liquida.
Tuttavia, questa equazione non prende in considerazione l’energia aggiuntiva necessaria alle particelle di gas per spingere indietro contro la pressione atmosferica per consentire l’aumento di volume quando un liquido bolle.
Pertanto, un’equazione più completa per calcolare il calore di vaporizzazione è:
ΔHvap = ΔUvap + pΔV
dove ΔUvap è la differenza di energia interna tra la fase vapore e la fase liquida (ΔUvap = Hvapor – Hliquid), e pΔV è il lavoro fatto contro la pressione ambientale.
Calore di vaporizzazione dell’acqua
L’acqua ha un alto calore specifico. Questa misura descrive la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura dell’acqua di 1 grado Celsius. Come tale, l’acqua ha anche un alto calore di vaporizzazione. Infatti, l’acqua richiede più di 40.000 Joule per mole per vaporizzare. Questo è estremamente importante per la vita sulla Terra.
Siccome la maggior parte della Terra è fatta di acqua, grandi cambiamenti nella quantità di energia solare che la Terra riceve sono contrastati dall’acqua. L’acqua assorbe lentamente il calore e lo rilascia quando c’è meno sole. Questo aiuta a contrastare i drastici cambiamenti di temperatura, che sarebbero devastanti per la vita. In confronto, se il mondo fosse fatto principalmente di etanolo, la temperatura oscillerebbe rapidamente perché l’etanolo ha un calore di vaporizzazione e un calore specifico molto più bassi.
Tuttavia, questo alto calore di vaporizzazione potrebbe non essere all’altezza di regolare la temperatura di fronte alle azioni umane. Il cambiamento climatico, e il riscaldamento globale in particolare, stanno aggiungendo molto calore all’atmosfera. Mentre l’oceano può assorbire molto di questo calore, ha dei limiti. Inoltre, quando l’oceano assorbe calore, le molecole si espandono. Questa espansione porterà a molte delle inondazioni attualmente stimate dagli scienziati del clima.
Differenze nel calore di vaporizzazione
Le principali influenze sul calore di vaporizzazione sono le interazioni tra le molecole in una soluzione. In un liquido, le molecole si muovono l’una accanto all’altra ma interagiscono costantemente. Alcune formano legami a idrogeno, mentre altre sostanze formano altri tipi di legami lievi tra le molecole. Questi legami contengono energia e mantengono il liquido in uno stato di energia inferiore. Il calore di vaporizzazione descrive quanta energia è necessaria per separare questi legami.
L’acqua ha un alto calore di vaporizzazione perché i legami a idrogeno si formano facilmente tra l’ossigeno di una molecola e gli idrogeni di altre molecole. Questi legami tengono insieme le molecole. Per far vaporizzare l’acqua, bisogna aumentare la temperatura per far muovere le molecole più velocemente. Ad un certo punto, le molecole cominceranno a staccarsi dal liquido e a vaporizzare.
I metalli hanno un calore di vaporizzazione ancora maggiore. Molti metalli formano interazioni complesse con altri atomi di metallo. Questo tiene insieme le molecole ancora più strettamente delle molecole d’acqua. Come tale, il calore di vaporizzazione dei metalli è molto più alto di quello dell’acqua.