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Abbiamo visto tutti come i cubetti di ghiaccio si sciolgono quando vengono messi in acqua o in qualche altro liquido. Abbiamo anche visto come il ghiaccio posto su un tavolo si trasforma lentamente in una piccola pozzanghera di acqua fredda. Ma in quale dei due casi si scioglie più velocemente?
Questo articolo cerca di illustrare alcuni concetti importanti sul trasferimento di calore dall’analisi di uno dei fenomeni di fusione più comuni a cui siamo esposti nella nostra vita quotidiana: lo scioglimento di un cubetto di ghiaccio.
Per la nostra discussione, iniziamo definendo alcuni concetti importanti.
il processo di fusione
Lo scioglimento di un cubetto di ghiaccio è un processo di cambiamento di fase fisico in cui l’acqua passa dallo stato solido a quello liquido. Questo tipo di cambiamento di fase è chiamato fusione ed è un processo endotermico. Quest’ultimo significa che il ghiaccio deve assorbire calore per sciogliersi; cioè, deve rompere le forze intermolecolari che tengono saldamente insieme le molecole d’acqua nel ghiaccio.
Questo processo può essere rappresentato dalla seguente equazione:
dove Q melting è il calore che l’acqua deve assorbire per sciogliersi.
Come puoi vedere, tutto ciò che serve per sciogliere il ghiaccio è il calore. Quindi, per determinare quando il ghiaccio si scioglie più velocemente, se in acqua o in aria, quello che dobbiamo davvero chiederci è in quale situazione il ghiaccio può assorbire il calore più velocemente.
Variabili che influenzano il processo di fusione
La fusione è un processo che dipende da diversi fattori come la temperatura, la pressione e la presenza di soluti nel liquido.
temperatura di fusione
In primo luogo, questo cambiamento di fase si verifica o si osserva a una particolare temperatura chiamata punto di fusione. Ciò significa che, affinché una sostanza sia allo stato solido, deve trovarsi a una temperatura inferiore al suo punto di fusione.
È vero anche il contrario. Ogni volta che vediamo una sostanza allo stato solido (come il ghiaccio) che non si sta sciogliendo, possiamo essere certi che si trova a una temperatura inferiore al suo punto di fusione. Per fonderlo, dobbiamo prima riscaldare il solido fino al suo punto di fusione, quindi aggiungere altro calore per fonderlo.
Questo ha un’importante implicazione per il nostro problema: quando consideriamo dove un ghiaccio si scioglierà più velocemente, dobbiamo assicurarci che in entrambi i casi il ghiaccio in questione sia alla stessa temperatura iniziale. Altrimenti, in un caso sarà necessario più calore per portare il ghiaccio al punto di fusione.
effetto pressione
Il punto di fusione della maggior parte dei solidi aumenta con la pressione, ma nel caso dell’acqua è vero esattamente il contrario. Ciò è dovuto a una proprietà anomala dell’acqua, ovvero che, a differenza della stragrande maggioranza delle sostanze pure, l’acqua allo stato solido (cioè il ghiaccio) è meno densa dell’acqua allo stato liquido.
Ciò provoca un aumento della pressione per aiutare a trasformare il ghiaccio in acqua (che ha un volume specifico inferiore). Pertanto, è necessaria meno energia termica per separare le molecole d’acqua e sciogliere il ghiaccio, e il ghiaccio si scioglie a una temperatura inferiore (cioè più facilmente).
effetto soluto
D’altra parte, anche la presenza di soluti disciolti o impurità in un liquido è un fattore che influenza il punto di fusione. In effetti, è una proprietà colligativa delle soluzioni chiamata depressione crioscopica o depressione del punto di fusione.
Dati questi due fattori che possono influenzare il punto di fusione dell’acqua e quindi possono influenzare la velocità con cui un cubetto di ghiaccio si scioglie in questo o quel mezzo, dobbiamo assicurarci di continuare l’analisi assicurandoci che in entrambi i casi abbiamo a che fare con acqua che è completamente puro e privo di qualsiasi soluto. Dobbiamo anche assicurarci che in entrambi i casi la pressione atmosferica sia la stessa e rimanga costante. Ciò faciliterà notevolmente l’analisi del problema in modo da poterci concentrare sull’unica variabile che ci interessa: se il ghiaccio è circondato da acqua liquida o da aria.
Meccanismi di trasferimento del calore
Abbiamo già chiarito che per sciogliersi un ghiaccio deve assorbire calore dall’ambiente circostante. Questo calore svolgerà prima il ruolo di riscaldare il cubetto di ghiaccio fino al suo punto di fusione, quindi di eseguire il processo di fusione stesso.
Se iniziamo con due cubetti di ghiaccio della stessa dimensione, forma e massa, fatti di acqua completamente pura, e che hanno la stessa temperatura iniziale, allora entrambi i cubetti di ghiaccio richiederanno esattamente la stessa quantità di calore per sciogliersi.
Quindi, quello che dobbiamo analizzare è dove il ghiaccio sarà in grado di assorbire il calore più velocemente: dall’aria o dall’acqua allo stato liquido. Per fare questo, dobbiamo capire i diversi modi in cui il calore può essere trasferito, che sono: convezione, conduzione e irraggiamento.
conduzione di calore
Questo meccanismo di trasferimento è quello che avviene per contatto diretto tra le particelle che formano due corpi (o due sistemi termodinamici) che si trovano a temperature diverse. È il tipo di trasferimento che si verifica quando ci ustioniamo le mani toccando, ad esempio, una padella calda. È anche il tipo di scambio termico che avviene tra ghiaccio e acqua o tra ghiaccio e aria.
La velocità di conduzione del calore dipende da diversi fattori. Tra questi ci sono la superficie di contatto, il gradiente di temperatura (cioè la differenza di temperatura tra due punti divisa per la loro distanza) e la conducibilità termica del mezzo (che non è altro che una misura di quanto bene il calore conduce un materiale).
Di tutte queste variabili, possiamo controllare la superficie di contatto assicurandoci che entrambi i ghiacci abbiano la stessa forma e le stesse dimensioni. Possiamo anche controllare il gradiente di temperatura controllando la temperatura iniziale di ghiaccio, acqua e aria. Tuttavia, la conduttività termica sarà diversa nel caso di aria e acqua.
convezione
La convezione è un fenomeno che si verifica in fluidi come liquidi e gas. Consiste nel movimento di particelle fluide che si trovano a una temperatura verso aree in cui la temperatura è diversa. La convezione può essere naturale se il movimento è generato da differenze di densità causate da differenze di temperatura, oppure può essere prodotta meccanicamente come quando si soffiano cibi caldi.
La radiazione
Infine, ogni superficie emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Ad esempio, il fuoco è in grado di riscaldarci con la sua luminosità anche se non entriamo in contatto con l’aria calda che emana per convezione.
Allora, dove il ghiaccio si scioglie più velocemente?
Ora abbiamo tutti gli strumenti per rispondere a questa domanda. Per semplificare il più possibile l’analisi, faremo in modo di mantenere costanti tutte quelle variabili che possono influenzare lo scioglimento dell’acqua e mantenere solo quelle che dipendono direttamente dall’aria e dall’acqua.
Iniziamo con due cubetti di ghiaccio identici fatti di acqua pura, con la stessa forma e la stessa dimensione; entrambi sono alla stessa temperatura iniziale. Immergiamo uno in un grande contenitore con acqua alla stessa temperatura dell’aria, e posizioniamo l’altro sopra una superficie termoisolante a contatto con l’aria. Facciamo l’intero esperimento in una stanza chiusa dove non ci sono correnti d’aria, riducendo al minimo tutte le forme di trasferimento di calore tranne la conduzione.
Inoltre, la conduzione sarà determinata principalmente dal materiale del mezzo; in entrambi i casi il gradiente di temperatura sarà sostanzialmente lo stesso e la superficie di contatto sarà la stessa, quindi la velocità di trasferimento del calore, e quindi la velocità con cui il ghiaccio si scioglierà, dipenderà principalmente dalla conducibilità termica della metà.
Poiché l’acqua conduce il calore quasi 30 volte più velocemente dell’aria, il ghiaccio si scioglierà più velocemente in acqua .
Ulteriori fattori da considerare
Va notato che quanto sopra non rappresenta un’analisi approfondita e dettagliata del problema. Ad esempio, non si tiene conto del fatto che il ghiaccio galleggia sull’acqua, quindi una parte di esso sarà esposta all’aria e non sarà a contatto termico con l’acqua.
Lo stesso accade con il ghiaccio che è nell’aria, poiché deve essere necessariamente appoggiato su qualche superficie, quindi una delle sue facce non sarà a contatto con l’aria ma con quella superficie. Se la conduttività termica di questa superficie è maggiore di quella dell’aria, il ghiaccio assorbirà il calore più rapidamente attraverso questa superficie, sciogliendosi più rapidamente.
Inoltre, sciogliendosi, aumenta la superficie del ghiaccio sciolto (cioè l’acqua) a contatto con la superficie, esacerbando l’effetto.
Nonostante ciò, si può stimare che questi effetti saranno minori rispetto alla grande differenza tra le conducibilità termiche dell’acqua e dell’aria.
Riferimenti
- Connor, N. (2020, 8 gennaio). Qual è la conducibilità termica dell’acqua e del vapore? – Definizione . Estratto da https://www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-conductividad-termica-del-agua-y-el-vapor-definicion/
- Laplace.us. (nd). Proprietà dell’acqua . Estratto da http://laplace.us.es/wiki/index.php/Propiedades_del_agua
- MINEDUC. (2019). Trasferimento di calore . Estratto da https://www.mineduc.gob.gt/DIGECADE/documents/Telesecundaria/Recursos%20Digitales/3o%20Recursos%20Digitales%20TS%20BY-SA%203.0/CIENCIAS%20NATURALES/U9%20pp%20210%20transferencia% 20of%20heat.pdf
- Strumenti termotest. (2020, 28 agosto). Materiali termicamente conduttivi e applicazioni comuni . Estratto da https://thermtest.com/latinamerica/materiales-termicamente-conductores-y-aplicaciones-comunes
