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Modello microscopico della materia
I fenomeni fin qui descritti costituiscono una solida base sperimentale per quanto riguarda gli effetti del riscaldamento. Ma rimangono aperte molte domande sui meccanismi che sono alla base di questi fenomeni: che cosa succede ad una sostanza quando subisce un passaggio di fase? Perchè un oggetto riscaldato si dilata? Che cosa è il calore? E la temperatura? Di essa abbiamo solo una definizione operativa: la temperatura è la grandezza fisica che si misura con il termometro.
In altre parole abbiamo bisogno di un modello interpretativo dei fenomeni legati al calore e, per fare ciò si ha bisogno di scendere dal livello macroscopico dell'osservazione e della misura per indagare sulla costituzione stessa della materia a livello microscopico.
Fin dal XVII secolo i chimici divisero le sostanze in elementi e composti; nel 1869 il chimico russo Dimitri Mendeleev organizzzò gli elementi allora noti (circa 60) nella Tavola periodica che attualmente ne comprende 118; ad ogni elemento corrisponde un atomo
Ogni sostanza non è divisibile all'infinito, ma ha una struttura granulare, i granelli di cui essa è formata si chiamano molecole (aggregazioni di atomi). La piiù piccola particella di acqua è una molecola formata da un atomo di ossigeno e due di idrogeno.
Che cosa succede alle molecole quando l'acqua passa dallo stato liquido a quello solido oppure a quello di vapore? Una singola molecola non è né solida né liquida né gassosa perchè le fasi della materia dipendono solo dall'aggregazione delle particelle tra di loro.
Allo stato solido le molecole sono fortemente legate le une alle altre da forze dette di coesione molecolare; queste forze sono di origine elettromagnetica e dipendono dalla distanza tra le molecole. Allo stato solido le particelle hanno una libertà di movimento molto limitata: possono solo oscillare o vibrare intorno a un punto di equilibrio. La struttura di un solido è essenzialmente ordinata.
Un modello efficace dello stato solido rappresenta le molecole come sferette elastiche collegate da molle molto rigide. La forza di richiamo delle molle simula la forza di coesione tra le molecole. La rigidità delle molle fa in modo che il solido mantenga una forma propria, malgrado le oscillazioni delle singole particelle. Se la struttura ordinata microscopica si conserva anche su scala macroscopica allora si parla di solidi cristallini.
Quando un solido cristallino viene riscaldato, il calore fornito aumenta l'energia di movimento delle molecole che vibrano più velocemente, di conseguenza le molle si allungheranno aumentando la distanza tra le molecole e si ha un effetto macroscopico di dilatazione del volume.
Continuando a fornire calore aumenta sempre di più la vibrazione e la distanza tra le molecole finchè le molle cominciano a perdere la loro elasticità, rimanendo deformate e allungate. In questa fase il solido perde la propria forma e avviene la transizione di fase da solido a liquido, cioè la fusione. Durante la fusione la temperatura si mantiene costante e tutto il calore fornito serve a stirare le molle e non ad aumentare la vibrazione delle molecole. Infine la sostanza si trova tutta allo stato liquido, caratterizzato da legami intermolecolari piiù deboli, ma ancora sufficientemente intensi per tenere legate tra loro le particelle. I liquidi hanno un volume definito, ma non una forma propria.
Anche allo stato liquido alcune molecole che si trovano sulla superficie subiscono di meno la forza di coesione e possono allontanarsi dal liquido sotto forma di vapore. Questo processo (evaporazione) aumenta con l'aumentare della temperatura del liquido.
Con un ulteriore apporto di calore anche le molecole interne acquistano una energia tale da rompere i legami che le vincolano vicendevolmente ed avviene l'ebollizione. Durante questa transizione la temperaura si mantiene costante ed il calore fornito serve solo a rompere le molle e non ad aumentare la velocità delle particelle.
Finalmente allo stato gassoso le molecole sono praticamente libere di muoversi in qualsiasi direzione spaziale: i vapori e i gas non hanno un volume proprio, ma assumono forma e volume del recipiente che li contiene. Le interazioni tra molecole sono molto deboli nei vapori, trascurabili nei gas.
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Copyleft Ludovica Battista