Aeriforme
Che cos'è lo stato aeriforme?
Lo stato aeriforme è uno stato fisico della materia in cui questa presenta le proprietà fondamentali dell'aria (da cui il nome), ovvero non ha forma né volumi propri ma quelli del recipiente che lo contiene ed ha la possibilità di essere compresso o di espandersi.
Sono aeriformi sia i gas che i vapori: gas e vapori costituiscono quindi due forme diverse dello stato aeriforme.
Stato aeriforme: gas e vapori
La differenza tra vapore e gas è nel valore della loro temperatura critica: un vapore è qualsiasi fluido aeriforme che si trova ad una temperatura inferiore alla sua temperatura critica, essendo quest'ultima la temperatura al di sotto della quale è possibile liquefare l'aeriforme per sola compressione.
Ne consegue che, per gli aeriformi, esiste una temperatura, detta critica, al di sopra della quale non si riesce a mantenere il corpo allo stato liquido per quanto grande sia la pressione che si esercita.
Alcuni aeriformi, come ad esempio l'anidride carbonica, l'idrogeno e l'azoto hanno una temperatura critica estremamente bassa pertanto, a temperatura ambiente, non sono liquefacibili per sola compressione e quindi si comportano come gas; inoltre diventa estremamente difficile ottenerne la liquefazione a causa delle bassissime temperature, inferiori alla temperatura critica della sostanza, che bisognerebbe raggiungere.
Una stessa specie chimica può comportarsi quindi da gas o da vapore a seconda che si trovi al di sopra o al di sotto della sua temperatura critica.
È bene precisare però che, più comunemente, vengono detti gas quegli aeriformi che hanno una temperatura critica nettamente inferiore alla temperatura ambiente, mentre sono detti vapori quegli aeriformi che hanno una temperatura critica nettamente superiore alla temperatura ambiente.
Ad esempio, il metano (tcr = - 82,1 °C) è considerato un gas in quanto ha una temperatura critica nettamente inferiore alla temperatura ambiente: per quanto grande sia la pressione che si esercita non è possibile, alla temperatura ambiente, liquefare il metano.
Viceversa, l'ammoniaca (tcr = 132,5 °C) è considerata un vapore: esercitando una determinata pressione su vapori di ammoniaca è possibile ottenerne la liquefazione. L'ammoniaca è quindi un vapore e se la si comprime, a temperatura ambiente, essa liquefa alla pressione di circa 8 atm.
Comportamento dei gas
II comportamento dei gas viene interpretato dalla teoria cinetica, secondo la quale essi sono costituiti da un sistema di particelle libere in moto caotico nel recipiente che le racchiude.
In prima approssimazione si ammette che esse abbiano forma sferica, uguale massa, e che il loro volume (detto covolume) sia trascurabile rispetto a quello del recipiente.
Si ammette anche che le interazioni reciproche abbiano luogo soltanto a seguito di un urto elastico fra una particella e l'altra, tale cioè da non comportare trasferimento di energia, e soddisfare il principio di conservazione della quantità di moto.
Si considerano trascurabili invece le azioni a distanza fra particella e particella; in tal modo la pressione del gas è dovuta unicamente all'urto delle particelle libere contro le pareti del recipiente.
Queste ipotesi definiscono il gas cosiddetto ideale o perfetto; esso è evidentemente una astrazione, tuttavia a pressione bassissima e temperatura sufficientemente alta si possono realizzare quelle condizioni nelle quali anche un gas reale può essere considerato con buona approssimazione un gas ideale.
Comportamento dei vapori
Il comportamento dei vapori viene studiato sperimentalmente e i risultati riportati su diagrammi di stato che mostrano i campi di esistenza delle varie fasi, solida, liquida, gassosa, in cui può trovarsi la sostanza in esame.
Nella figura seguente è riportato il diagramma del vapore d'acqua. Supposto di avere un cilindro provvisto di stantuffo contenente acqua fortemente compressa e mantenuta a temperatura costante, se si sposta lo stantuffo in modo da aumentare il volume della camera si nota un repentino abbassamento di pressione.
Riportando i valori della pressione p e del volume v in un diagramma p, v, si ottiene una curva dapprima fortemente discendente; a partire da un certo punto si nota che il volume aumenta, mentre la pressione rimane costante: ciò dipende dal fatto che il liquido comincia a evaporare e che nel recipiente si stabilisce un regime di pressione il cui valore è funzione della temperatura, purché anche la temperatura si mantenga costante.
L'aumento di volume a pressione costante avviene finché è evaporato tutto il liquido.
Quando il cilindro è occupato esclusivamente da vapore, aumentandone il volume mediante ulteriore spostamento dello stantuffo, la pressione riprende a diminuire.
Oltre il punto in cui il vapore è divenuto completamente secco, cioè quando ogni traccia di liquido è del tutto scomparsa, si dice che il vapore è surriscaldato, perché si trova sempre a temperatura superiore a quella che avrebbe se si trovasse saturo e alla stessa pressione.
In un miscuglio di liquido e vapore, quindi, l'equilibrio è possibile, fissata la temperatura, solo per un determinato valore della pressione (0,476 MPa alla temperatura di 150°C, si veda grafico).
Si tratta però di un equilibrio di natura dinamica, in quanto se liquido e vapore sono presenti nel recipiente non è affatto cessato il fenomeno del cambiamento di stato. Infatti, avviene continuamente uno scambio di molecole che dallo stato liquido passano a quello gassoso e viceversa.
Il vapore in presenza del liquido dal quale è stato generato si chiama saturo; il campo della sua esistenza nel diagramma p, v, è dato dal tratto rettilineo orizzontale.
Man mano che si procede (nel tratto rettilineo orizzontale) verso destra, diminuisce la percentuale di acqua nel miscuglio. All'estremità di destra del tratto rettilineo, l'umidità è scomparsa e si dice che il vapore è saturo secco.
Ripetendo le esperienze per temperature sempre più alte il tratto rettilineo del diagramma va diminuendo, cioè si riduce il campo di esistenza del vapore saturo, finché scompare del tutto. Allora il diagramma si trasforma in una linea continua (non rappresentata in figura) e la temperatura alla quale si ha la scomparsa del campo di esistenza del vapore saturo è detta critica.
Al di sopra di essa la sostanza esiste solo allo stato aeriforme e nessuna pressione per quanto grande può ridurla allo stato liquido.
Per temperature ancora più alte il diagramma di stato nel piano p, v assume un andamento che si avvicina ad un'iperbole equilatera, la qual cosa dimostra che, all'aumentare della temperatura, il comportamento del fluido si avvicina sempre più a quello dei gas ideali.
Link correlati:
Spiegazione del diagramma di stato dell'acqua
Spiegazione del diagramma di stato dell'anidride carbonica
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