La superficie liquida
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La superficie liquida
Lezione n. 4 La superficie liquida Limiti di fase Diagramma di stato: rappresentazione delle regioni di pressione e temperatura in cui le fasi sono stabili da un punto di vista termodinamico. Confini di fase: curve che identificano i valori di T e p a cui due fasi sono in equilibrio. Punti importanti del diagramma Punto di ebollizione: temperatura a cui la pressione di vapore del liquido uguaglia la pressione esterna. Acqua: punto di ebollizione ordinario (1 atm) = 100C; punto di ebollizione standard (1 bar) = 99.6C. Punto critico (recipiente chiuso): punto un cui la densità del liquido uguaglia quella del vapore e la superficie di separazione tra le due fasi scompare (pc, Tc). Al di sopra: fluido supercritico. Punto triplo, T3: punto in cui si intersecano le tre curve limite di fase. Invariante: dipende solo dalla sostanza. Indica la più più bassa pressione a cui può esistere la fase liquida (che dire della temperatura?) La tensione superficiale • I liquidi tendono ad assumere forme geometriche atte a minimizzare la superficie esposta. Sfera = minimo rapporto superficie/volume. • Competizione con altre forze, tipicamente la gravità. • Effetti di superficie esprimibili nel linguaggio termodinamico di Gibbs o di Helmoltz (lavoro richiesto per alterare l’area della superficie in una certa misura). • Data una superficie σ, il lavoro necessario per modificarne l’area nella misura infinitesimale dσ vale dw = γ dσ dove γ prende il nome di tensione superficiale. [γ] = [energia/superficie] = [ML2T-2 L-2] = [MT-2] Unità di misura S.I. = J m-2 (oppure Nm-1) • Il lavoro di formazione di una superficie a volume e temperatura costanti si può identificare con la variazione dell’energia di Helmoltz dA = γ dσ • Poiché dA<0 se d σ <0, le superfici hanno una naturale tendenza a contrarsi. Usiamo il concetto di tensione superficiale • Calcolare il lavoro necessario a sollevare un filo di lunghezza l che estende la superficie di un liquido lungo l’altezza h (trascurando l’energia potenziale gravitazionale). Problema per gli studenti • Calcolare il lavoro necessario per creare una bolla sferica di raggio r in un liquido di tensione superficiale γ. Conseguenze della curvatura • La pressione di vapore del liquido dipende dalla curvatura. • Nei tubi di piccolo diametro i liquidi manifestano innalzamento (o abbassamento) capillare. • Bolla Regione in cui il vapore si trova intrappolato da una pellicola sottile. • Cavità Lacuna interna al liquido e piena di vapore (le bolle sono cavità). • Goccia Volume di liquido in equilibrio con il vapore. Differenza tra bolle e cavità: le bolle hanno due superfici, le cavità una sola. N.B. La pressione che insiste sul lato concavo, pin, è superiore a quella che insiste sul lato convesso, pout. La relazione tra le pressioni è data dalla equazione di Laplace pin = pout 2γ + r Ovviamente le bolle piccole hanno pin >> pout. Ad esempio, per una bolla di champagne di 100 µm si ha ∆p ≅ 1.5 kPa (15 cm di colonna d’acqua). I centri di nucleazione • I liquidi possono essere riscaldati al di sopra della temperatura di ebollizione o raffreddati al di sotto della temperatura di congelamento. • Nel caso del sovrariscaldamento, la temperatura del sistema deve essere sufficiente per assicurare la formazione di bolle. • Sono stati termodinamicamente instabili che non si stabilizzano rapidamente per l’assenza di centri di nucleazione (particelle inerti a superficie scabra, imperfezioni del contenitore, impurezze, etc.) Una stima della temperatura di sovrariscaldamento • La temperatura del sistema può essere determinata stimando il volume del vapore emesso durante il raffreddamento indotto. Dati: – – – Calore latente di ebollizione dell’acqua: 2260 Jg-1 Vapore prodotto da 1 g di acqua: 1670 mL Calore specifico dell’acqua bollente: 4.2 Jg-1C-1 Quindi se, ad esempio, vengono prodotti 5 L di vapore, l’abbassamento di temperatura è di circa 1.6 C. La capillarità • La tendenza dei liquidi a innalzarsi dentro i tubi di sezione piccola. Innalzamento e abbassamento capillare • La pressione esercitata da una colonna di liquido di altezza h e densità ρ vale p = ρgh • L’altezza della colonna di liquido all’equilibrio quindi risulta pari a 2γ h= ρgr • Quando le forze di adesione tra liquido e materiale della parete sono minori delle forze di coesione all’interno del liquido, il liquido stesso si ritrae dalle pareti e si abbassa. L’angolo di contatto • Si definisce angolo di contatto l’angolo tra il margine del menisco e la parete del contenitore. • Definendo γsg, γsl e γlg le tensioni superficiali solido-gas, solido-liquido e liquido-gas, dall’equilibrio delle forze verticali si ottiene γ sg − γ sl cos θ c = γ lg • Se l’angolo di contatto è compreso tra 0o e 90° il liquido bagna il contenitore. • Se l’angolo di contatto è compreso tra 90o e 180° il liquido non bagna il contenitore (es.: per il mercurio si ha θc = 140°.