Transizioni di fase: Regola di Trouton

Transizioni di fase: Regola di Trouton

Calcoliamo la variazione di Energia libera per il processo di solidificazione dell'acqua a 0°C

H₂O_(l) → H₂O_(s)

sapendo che l'entropia dell'acqua e del ghiaccio a 0°C sono rispettivamente pari  a 65,2 J·K^-1·mol^-1 e 43,3 J·K^-1·mol^-1 (i liquidi sono più disordinati dei solidi) e che il processo è esotermico (DH = - 6,00 kJ/mol), poiché durante la solidificazione  viene rilasciato il calore latente.

La variazione di Entropia durante il processo di solidificazione sarà pari a

DS = 65,2 - 43,2 = 22,0 J/K

La variazione di Energia libera sarà

Ciò significa che l'aumento di disordine dell'ambiente che si produce durante il processo di congelamento (a causa della dissipazione di calore) viene esattamente controbilanciato dall'aumento di ordine del sistema. In altre parole a 0°C il sistema non presenta alcuna tendenza, né verso la fase solida, né verso la fase liquida. L'indifferenza del sistema si traduce in uno stato di equilibrio tra liquido e solido.

In effetti ciò è esattamente quello che accade. A 0°C l'acqua non ghiaccia, ma vi è equilibrio tra la fase liquida e la fase solida.

Possiamo dunque affermare che in generale un sistema raggiunge uno stato di equilibrio quando la variazione di Energia libera si annulla. In questo stato l'entropia dell'universo rimane costante ed il sistema non evolve spontaneamente in alcuna direzione.

Un'interessante applicazione si ha nel caso di un passaggio di stato liquido-aeriforme, in cui il liquido è in equilibrio con il proprio vapore. Si avrà allora

da cui si ricava la regola di Trouton, che permette di stimare in modo approssimato l'entalpia di evaporazione di un liquido, conoscendo la sua temperatura di ebollizione

J K^-1 mol^-1

Il significato della regola di Trouton è che quando i liquidi evaporano si produce una quantità di disordine, ovvero entropia, che è pressappoco la stessa per le diverse sostanze. La relazione fornisce valori attendibili per liquidi non associati, di massa molecolare intorno a 100 e con temperatura di ebollizione non troppo alta. Tuttavia se le molecole del liquido sono ordinate in un modo particolare, come per esempio nel caso di acqua od etanolo in cui sono presenti nel liquido forti legami a idrogeno intermolecolari, allora l'entropia di evaporazione risulta superiore a quanto prevede la regola di Trouton, come risulta dalla seguente tabella di valori sperimentali.

Entropie di evaporazione