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Acqua e dintorni - di Riccardo Nobile
Postato il Thursday, 16 February @ ora solare Europa occidentale di mauro |
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Conoscere l'elemento in cui si pratica questo sport è di fondamentale importanza... credete di sapere tutto sull'acqua? Allora magari vi servirà solo una lettura veloce di questo articolo, una ripassatina non fa mai male!
Buona lettura...
GENERALITA'
Una delle prime cose che vengono dette quando si vuole parlare dell'acqua è che essa è il componente principale del corpo umano costituendone circa il 65% ; già questo fatto dovrebbe spingerci a cercare di conoscere più profondamente le caratteristiche di questa sostanza che, in maniera più o meno diretta, regolano e permettono la nostra stessa vita. Sappiamo bene che l'acqua è un liquido incolore ed insapore ( quasi sempre! ) e sappiamo altrettanto bene che essa solidifica ad una temperatura di 0 oC e bolle ad una temperatura di 100 oC (alla pressione di 1 Atm.), ma ci sono tante altre caratteristiche dell'acqua, ma anche di tutte la altre sostanze, che forse non tutti conoscono ed è proprio di queste che vorrei parlare in queste note. Nel seguito, per comodità, nomineremo sempre l'acqua ma è da tenere presente che quanto diremo è applicabile a tutte le sostanze.
1) stato solido comunemente detto ghiaccio
2) stato liquido comunemente detta acqua
3) stato gassoso comunemente detto vapore acqueo
Passaggi di stato
A proposito degli stati fisici dell'acqua vediamone subito il comportamento durante i passaggi da uno stato fisico ad un altro ricordando che quanto diremo è valido per tutte le sostanze e non solo per l'acqua.
Nelle fig. 1a e 1b è riportato l'andamento della temperatura in funzione del tempo rispettivamente nel caso di riscaldamento e nel caso del raffreddamento del miscuglio.Supponiamo di trovarci ad una pressione costante di 760mmHg, di prendere un blocco di ghiaccio la cui temperatura sia inferiore allo 0 gradi C, di metterlo in un contenitore e di porlo in un forno nel quale faremo crescere gradualmente la temperatura fino a 150 gradi C. La temperatura del blocco inizia a salire fin quando, arrivata a 0 gradi C (punto di fusione), il blocco inizia a liquefarsi formando acqua; da questo momento la temperatura del miscuglio di acqua e ghiaccio rimane costante al valore di 0 oC fino a quando tutto il ghiaccio non si è sciolto; il calore che il miscuglio assorbe dal forno non va quindi ad innalzare la temperatura del miscuglio stesso, ma serve solo a fornire l'energia termica necessaria a far avvenire il passsaggio dallo stato solido a quello liquido. Tale energia calorifica viene detta "calore latente di fusione".
Una volta che tutto il ghiaccio si è sciolto la temperatura riprenderà ad aumentare fino ad arrivare al valore di 100oC (punto di ebollizione) ; a questo punto l'acqua comincia a bollire trasformandosi in vapore acqueo. La temperatura del miscuglio acqua+vapore si ferma a 100oC e vi resta fino a quando tutto il liquido non è diventato vapore. Solo allora la temperatura del vapore può riprendere a salire fino a portarsi in equilibrio con quella del forno. Tutto il calore fornito durante la fase transitoria liquido+vapore, viene utilizzato per il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso ed è detto "calore latente di evaporazione".
Come illustrato dalla fig. 1b il procedimento si ripete in maniera esattamente opposta qualora si procedesse al successivo raffreddamento del contenitore fino a ritornare alla fase del ghiaccio; in tale caso la temperatura di 100 gradi C prende il nome di temperatura di condensazione mentre quella di 0 gradi C prende il nome di temperatura di congelamento.
La tensione di vapore
Una delle cose basilari da notare e ricordare consiste nel fatto che è si vero che l'acqua bolle a 100 gradi C , ma è vero anche che il fenomeno della formazione di vapore acqueo può avvenire a tutte le temperature e non solo a partire dal liquido (evaporazione), ma anche direttamente dalla fase solida (sublimazione). La tendenza alla formazione di vapore viene tecnicamente chiamata "tensione di vapore" (T.d.V.) , è dimensionalmente una pressione e normalmente viene espressa in mmHg. Per cercare di comprendere questa "tensione di vapore" spendiamo due parole per rinfrescarci la memoria sulla legge di Dalton riguardante le pressioni parziali.
Tale legge dice che: in un miscuglio di gas la pressione totale è data dalla somma delle pressioni parziali dei singoli gas dove per pressione parziale si intende la pressione che la stessa quantità di quel gas avrebbe se da solo occupasse tutto lo spazio del miscuglio.Ricordato ciò, si può meglio comprendere il concetto di tensione di vapore; è la massima pressione parziale che il vapore acqueo, nelle presenti condizioni di temperatura e pressione, può assumere nel miscuglio di gas che forma l'aria circostante. Da quanto detto si capisce che la tendenza dell'acqua ad evaporare dipende sia dalla temperatura che dalla pressione; la tabella 1 mostra i valori della tensione di vapore per le temperature da 0 gradi C a 105 gradi C. Da essa si può notare che anche a 0 gradi C la tensione di vapore vale 4.6 mmHg e anche che la T.d.V. sale con un andamento esponenziale rispetto all'aumento della temperatura come ben evidenziato dal grafico di fig. 2.
Vediamo ora più in dettaglio in quale modo le condizioni ambientali influenzino la tensione di vapore.
Temperatura
E' sicuramente un fatto noto a tutti che tanto più fa caldo, quanto più velocemente le cose bagnate si asciugano; in effetti la tensione di vapore dell'acqua aumenta con il salire della temperatura fino ad arrivare al valore di 760 mmHg alla temperatura di 100 gradi C. Non è certo un caso che 760 mmHg sia la pressione normale dell'atmosfera al livello del mare e che 100 gradi C sia la temperatura di ebollizione dell'acqua! In effetti l'ebollizione di un liquido avviene quando la sua tensione di vapore uguaglia la pressione ambiente ed allora il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso avviene in modo brusco e tumultuoso.
Pressione
Un'altra cosa nota è che in alta quota l'acqua bolle prima che al livello del mare e, ricordando quanto detto sulla tensione di vapore, ora il motivo di tale comportamento diventa evidente: è sufficiente una minore temperatura per fare si che la tensione di vapore raggiunga lo stesso valore della pressione ambiente che in quota è inferiore ai canonici 760 mmHg.
Visto che in precedenza abbiamo tirato in ballo la legge di Dalton, ora parliamo anche della legge di Henry per vedere in che modo essa influenzi il comportamento dell'evaporazione. La legge di Henry ci rammenta che un gas tende a entrare in soluzione in un liquido (o ad uscirne) fino a che la sua pressione parziale nel liquido e nel gas non sono uguali. Nel caso del vapore acqueo si può notare che se nell'aria è già presente una certa "pressione parziale di vapore" (che d'ora in poi abbrevieremo con ppH2O), la tendenza dell'acqua ad evaporare sarà controbilanciata da tale ppH2O per cui la vera tendenza ad evaporare sarà data dalla differenza fra la tensione di vapore e la ppH2O dell'ambiente circostante. Questo ci spiega perché nelle giornate afose (cioè calde ed umide) sentiamo un maggiore disagio fisico che non in quelle calde ed asciutte: la ppH2O dell'aria rallenta il processo di evaporazione del sudore emesso dal corpo che, quindi, non riesce ad assolvere la sua funzione di raffreddamento della pelle (il sudore per evaporare sottrae calore dalla pelle!).
Aspetti particolari
Vediamo ora di parlare di qualche cosa con cui abbiamo a che fare in maniera quasi quotidiana e che sia legato strettamente ai concetti sopra esposti.
L'umidità relativa
Credo che ognuno di noi quasi quotidianamente nomini o senta nominare il concetto di "umidità relativa" anche se poi credo che ben pochi conoscano esattamente il vero significato di tale definizione. Spero che, dopo la mia spiegazione, il numero di coloro che capiscono ciò che stanno dicendo o ascoltando sarà un pochino più alto.Teniamo in mente quanto sopra detto per la tensione di vapore e supponiamo di trovarci in condizioni di pressione normale (760 mmHg) . Quando si parla dell'umidità dell'aria siamo soliti esprimerne la misura in termini di umidità relativa dicendo che ad esempio essa è all'80% ; nessuno spero possa pensare che l'80% dell'aria che respiriamo in quel momento sia formata da vapore perché in quel caso avremmo sicuramente qualche problemino.....
Ma allora questa umidità relativa a cosa è relativa? Ebbene essa è relativa alla massima quantità di vapore che, a quella temperatura, l'aria è in grado di contenere e con questo siamo tornati al concetto di tensione di vapore ! Allora quando diciamo che siamo in presenza di U.R. dell'80% intendiamo che la ppH2O nell'aria è l'80% della tensione di vapore a quella temperatura. Uguali valori di U.R. a temperature differenti comportano un diverso valore di umidità assoluta e, viceversa, uguali valori assoluti di vapore nell'aria danno valori differenti di U.R. in funzione della temperatura.Come esempio consideriamo un contenitore chiuso con T = 5 oC e U.R. dell80% ; se scaldiamo tale contenitore e portiamo la T = 35 oC il valore di U.R. scenderà ad es. al 40% pur non essendoci stato un cambiamento nel valore assoluto di vapore acqueo nel contenitore.
Effetti fisiologici dovuti all'evaporazione
Nella parte precedente abbiamo detto che, somministrando calore all'acqua, questa evapora formando vapore acqueo. Si può anche asserire che l'acqua evaporando assorbe calore da ciò con cui si trova a contatto. Su questo fenomeno fisico si basa l'emissione di sudore da parte del nostro organismo; quando il corpo è soggetto ad aumenti di temperatura, siano essi dovuti alla combustione di calorie per sforzi fisici o ad esposizione in ambienti caldi, avviene una dilatazione dei pori della pelle che rende possibile la fuoriuscita del sudore (formato da acqua e sali minerali e non da grasso sciolto!!) . Questo sudore ha la sua brava tensione di vapore, ad es. 40mmHg, quindi evapora e per fare ciò assorbe calore dalla pelle contribuendo quindi a contenere l'aumento di temperatura del corpo entro limiti sopportabili.
In campo meteorologico si può applicare il concetto sopra esposto per capire il motivo per cui, generalmente, quando il cielo è nuvoloso la temperatura al suolo sia meno fredda che non con cielo sereno.
Le nuvole si comportano rispetto alla terra come un coperchio su una pentola che rallenta la evaporazione dell'acqua e fa si che essa si riscaldi piu velocemente; la presenza di nuvole impedisce la libera evaporazione dell'acqua dal terreno e la temperatura al suolo non si abbassa come farebbe nel caso di cielo sereno.La fig.3 riporta un grafico illustrante la relazione fra temperatura, umidità relativa (ora la conoscete!) e il loro effetto sul nostro organismo.
Nebbia e foschia
La nebbia è una particolare, e non troppo simpatica, forma fisica in cui l'acqua si può presentare. Fisicamente la nebbia è composta non da vapore acqueo bensi' da vere e proprie goccioline di acqua di dimensioni tanto ridotte da riuscire a rimanere sospese nell'aria; la differenza essenziale fra nebbia e foschia sta nella distanza fra le goccioline di acqua che le formano e che limita, in maniera più o meno consistente, la trasparenza dell'aria; per differenziare nebbia e foschia è stato preso come limite convenzionale la visibilita di 1000 mt. La presenza della nebbia, cosi' come la eventuale pioggia, non influisce in maniera diretta sull'aumento della umidità relativa dell'aria che, come detto in precedenza, è una misura del vapore acqueo presente allo stato gassoso.
Ma perché si forma la nebbia?
Normalmente la temperatura dell'aria al suolo è maggiore di quella a quote più alte, ma può accadere che, almeno negli strati inferiori dell'atmosfera, questo fenomeno si inverta. Le condizioni che possono favorire tale fenomeno si verificano più facilmente nelle ore dei crepuscoli quando il sole riesce ancora a fornire del calore agli strati superiori dell'atmosfera mentre lo strato più basso risulta ancora avere una temperatura inferiore. Il vapore acqueo presente nell'aria è un gas pesante e tende a scendere in basso dove però la temperatura è minore e quindi la parte di vapore che eccede la massima Tensione di Vapore si condensa agglomerandosi in finissime goccioline che rimangono sospese nell'aria.
Tralasciando le classiche "nebbie in Val Padana" di Bernacchiana memoria (ci vuole una certa età per capire ciò!), prendiamo come esempio di nebbia ciò che avviene regolarmente, in piena estate, lungo le coste occidentali di Grecia e Peloponneso; al mattino quando sorge il sole l'aria comincia a scaldarsi dall'alto mentre lo strato, spesso poche decine di metri, a contatto con la superficie del mare rimane ad una temperatura inferiore e a causa di tale " inversione termica " si formano dei nebbioni che fanno impallidire quelli di Lombardia e dintorni. Entro 1 o 2 ore sale anche la temperatura degli strati inferiori e la nebbia si dissolve passando allo stato di vapore acqueo.
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