ebollizione dell'acqua in funzione della temperatura

Materie:	Appunti
Categoria:	Fisica
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Data:	22.03.2006
Numero di pagine:	7
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Variazione della temperatura di ebollizione in funzione della pressione atmosferica
Materiale Utilizzato:
• Campana di vetro sottovuoto;
• Aspiratore compressore;
• Barometro (∆=20 millibar)
• Cilindro di vetro;
• Termometro digitale (∆=0.1°C)

Richiami Teorici:
Pressione
La pressione è una grandezza fisica, definita come il rapporto tra la forza agente normalmente su una superficie e la superficie stessa.
La pressione è una grandezza intensiva e quindi si intende sempre riferita all'unità di superficie.
Pressione Atmosferica
La pressione atmosferica è il carico esercitato dall'atmosfera sulla superficie terrestre. Sulla Terra esistono zone sottoposte a pressioni diverse ma l'aria tende a spostarsi dalle zone a maggiore carico, quindi ad alta pressione, alle zone a bassa pressione, sottoposte a un carico minore. Il vento è quindi uno spostamento d'aria tra due punti in condizioni di pressione differenti.
La Terra è immersa in una massa d'aria che esercita sulla sua superficie un carico pari a 1.033 grammi per centimetro quadrato, se il carico è misurato sul livello del mare ad una temperatura di 0° C e a 45° di latitudine. Questo carico è dovuto alla gravità e al peso degli strati soprastanti. Quindi la pressione dell'aria è massima alla superficie della Terra e diminuisce progressivamente salendo in altitudine. Lo strumento utilizzato per quantificare la pressione atmosferica è il barometro. L'unità di misura è l'atmosfera, pari al carico esercitato da una colonnina di mercurio di 760 millimetri con sezione di 1 centimetro quadrato. In meteorologia si usa un'unità di misura differente, il millibar, che corrisponde a circa 1/1.000 di un'atmosfera. La pressione scende quando sale la temperatura. Infatti, se la temperatura aumenta l'aria si dilata, andando ad occupare un volume maggiore benché la sua massa rimanga costante. Così si verifica una diminuzione del peso e quindi della pressione esercitata. Viceversa, quando la temperatura scende si avranno degli aumenti di pressione.
Anche l'umidità gioca un ruolo importante nelle variazioni di pressione. Infatti, se nell'aria è presente vapore acqueo, significa che esso ha sostituito altri elementi più pesanti come azoto o ossigeno. Da ciò deriva che più l'aria è umida, più è leggera e di conseguenza esercita una minore pressione.
La Temperatura
La temperatura è una grandezza fisica scalare di stato che individua il livello
o l’intensità del calore posseduto da un corpo, misurato su scala opportuna.
Lo stato termico di una sostanza indica se la sostanza ci dà la sensazione fisica di caldo o di freddo.
Quando due sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a temperatura maggiore a quello a temperatura minore, fino al raggiungimento dell’equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.
Lo strumento di misurazione della temperatura è il termometro.
Questa grandezza influenza un gran numero di fenomeni osservabili;l’aumento
di temperatura provoca, ad esempio, l’aumento della resistenza elettrica ,la
variazione del colore di un corpo incandescente, la dilatazione dei corpi solidi.
Per la descrizione corretta di molti fenomeni naturali, quindi è quasi sempre
indispensabile la citazione della temperatura a cui avviene il fenomeno.
Temperatura di ebollizione dell’acqua in funzione al variare della pressione
Quando I'acqua viene riscaldata la sua temperatura si innalza finchè incomincia a bollire; la temperatura di ebollizione ("punto dì ebollizione") dipende dalla pressione alla quale si trova I'acqua. In un recipiente aperto ed alla normale pressione atmosferica a livello del mare, 760 mm Hg, I'acqua bolle a 100°C.
Se la pressione scende al disotto di quella atmosferica il punto di ebollizione è inferiore a 100 °C. Per esempio, ad una pressione di 531 mm Hg (equivalenti ad una altezza di 3.000 m al disopra del livello del mare) il punto di ebollizione è di 89 °C.
In un recipiente chiuso il punto di ebollizione è determinato dalla pressione del vapore. Se la pressione è superiore a 760 mm Hg il punto di ebollizione supera i 100°C. Per esempio, il punto di ebollizione dell'acqua è di 120°C quando la pressione è 1 at superiore a quella atmosferica e di 183°C quando la pressione supera di 10 at quella atmosferica. Questo principio è sfruttato nella pentola a pressione.
L'acqua al punto di ebollizione è anche chiamata liquido saturo e, di conseguenza, la temperatura di ebollizione è pure nota come "temperatura di saturazione". Ad ogni data pressione corrisponde una temperatura di ebollizione o temperatura di saturazione ed i valori per I'acqua sono riportati nella tabella seguente.

Stati di aggregazione della materia e passaggi di stato
Ogni elemento chimico può esistere allo stato gassoso, allo stato liquido e in quello solido. Il passaggio da uno all'altro di questi stati è detto passaggio di stato.
La maggior parte degli elementi, in condizioni ambientali, si trova allo stato solido. Fanno eccezione mercurio e bromo che sono allo stato liquido e neon, elio, argon, kripton, xenon, radon, idrogeno, azoto, ossigeno, fluoro, cloro che sono allo stato gassoso.
Variando la temperatura oppure la pressione ( o entrambe ) , ogni elemento può mutare il suo stato fondamentale. Aumentando la temperatura e diminuendo la pressione si ottiene, di regola, un passaggio solido liquido gassoso. Ovviamente il percorso inverso lo si ottiene diminuendo la temperatura ed aumentando la pressione.
Stato solido: le particelle costituenti la materia sono strettamente unite una all'altra in modo più o meno geometricamente ordinato. Dette particelle sono dotate di energia propria ed oscillano intorno al proprio punto di applicazione; da questo non possono, però, muoversi in quanto sono circondate da altre particelle.
Stato liquido: le particelle hanno una energia cinetica maggiore di quella dello stato solido, possono muoversi disordinatamente ed urtarsi tra loro. Minori rispetto allo stato solido sono le forze coesive, tanto che nell'interfaccia un certo numero di particelle, può sottrarsi del tutto all'attrazione delle altre, passando allo stato gassoso. I liquidi, infatti, esistono sempre in presenza del loro gas.
Stato gassoso: le particelle si muovono in maniera caotica e le forze di coesione sono del tutto trascurabili.
Esiste un quarto stato di aggregazione, il plasma, che si ha portando un gas a temperature superiori a 5000 °C. In tale situazione uno o più elettroni esterni si staccano formando uno ione; il plasma è, quindi, formato da cationi e da elettroni in equilibrio tra loro. Le stelle sono, ad esempio, allo stato di plasma così come lo è la materia presente nei " tubi al neon ".
Il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido si chiama condensazione o liquefazione.
Raffreddando un aeriforme si riduce l'energia delle particelle (molecole, atomi, ioni) e quindi si può dar loro modo di formare legami reciproci. Raffreddando un gas al di sotto della sua temperatura critica si ottiene un vapore. Un vapore può liquefare, oltre che per ulteriore raffreddamento, anche per semplice compressione: comprimendolo si avvicinano le particelle fino a che queste stabiliscono legami fra loro e non si allontanano più le une dalle altre formando un liquido.
La vaporizzazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme e può avvenire in due modi:
- per evaporazione, a temperature inferiori a quella di ebollizione, in tal caso il fenomeno coinvolge solo la superficie libera del liquido;
- per ebollizione, coinvolgendo l'intera massa del liquido, quando la pressione di vapore (cioè la pressione esercitata da un vapore in equilibrio con il suo liquido) uguaglia la pressione atmosferica che sovrasta il liquido (per l'acqua, a livello del mare, ciò si verifica a 100 °C).
La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido. Raffreddando un liquido l'energia delle sue particelle (atomi, ioni, molecole) diminuisce e queste si muovono più lentamente. Arrivando alla temperatura alla quale l'energia delle particelle è uguale a quella dei legami che le tengono unite nel solido, il liquido si solidifica.
La fusione e il passaggio inverso dallo stato solido a quello liquido. In un solido le particelle oscillano intorno a punti fissi. Fornendo energia, fino ad arrivare alla temperatura di fusione, l'energia delle particelle uguaglia l'energia dei legami, questi si rompono e abbiamo il liquido. La temperatura di fusione è uguale a quella di solidificazione (passaggio inverso) ed è molto diversa da sostanza a sostanza.
La sublimazione è il passaggio diretto dallo stato solido allo stato aeriforme. Il passaggio inverso si chiama brinamento, ma talora è indicato anch'esso come sublimazione.
Ciò succede perchè la pressione di vapore (pressione esercitata da un vapore in equilibrio con il suo liquido) di queste sostanze eguaglia la pressione atmosferica prima che esse fondano. Alcuni solidi come la canfora e la naftalina sublimano a temperatura e pressione ambiente. Atri (cristalli di iodio) sublimano a pressione ambiente, ma previo riscaldamento. Altri ancora richiedono di essere portati a bassissima pressione (sotto vuoto) per sublimare, è il caso del ghiaccio; quest'ultimo fenomeno è sfruttato nella preparazione dei liofilizzati: il prodotto, opportunamente preparato viene prima congelato, poi portato sotto vuoto spinto: l'acqua si allontana passando direttamente dallo stato solido a quello di vapore e questo lascia il prodotto intatto nella sua forma, leggerissimo e pronto a riacquistare le caratteristiche originarie una volta reidratato.
In sintesi:

Procedimento utilizzato: Abbiamo innanzitutto misurato con il termometro digitale la temperatura ambiente, che era di 16.3 °C, che sarebbe stata di conseguenza anche quella dell’acqua PRIMA dell’esperienza.
Abbiamo poi quindi riempito il cilindro graduato di acqua e, dopo aver acceso il compressore/aspiratore, l’abbiamo posizionato sul piano sul quale poi abbiamo posato la campana di vetro, al fine di ricreare l’ambiente sottovuoto. Una volta acceso il compressore/aspiratore abbiamo potuto notare attraverso il manometro che la pressione all’interno della campana di vetro scendeva visibilmente, poiché appunto si stava aspirando tutta l’aria presente all’interno dell’ambiente in vetro. Una volta azzerata la pressione atmosferica, abbiamo potuto notare che l’acqua ha cominciato a bollire. La temperatura del liquido alla fine dell’esperienza era scesa di circa 2 °C, poiché misurava appunto
14.3 °C.
Calcoli Matematici:
Tabella della temperatura di ebollizione dell’acqua al variare della pressione:
Temperatura Ebollizione (°C)
Pressione (Pa)
Pressione (bar)

613
0,006
10
1200
0,012
20
2300
0,023
30
4200
0,041
40
7000
0,069
50
12000
0,118
60
20000
0,198
70
31000
0,306
80
47000
0,465
90
70000
0,693
100
101300
1
Per poter avere la pressione espressa in bar, notiamo che:
1 atm = 1 bar = 1.01x10^5 Pa
Quindi:
1 bar : 101000 = x : 613
101000 Pa · x = 613 Pa
x = 613 Pa = 0.006 bar
101000 Pa
Errori di Misura:
- Errore Manometro = 20 Millibar; ∆P = 20
- Errore Termometro = 0.1 °C; ∆T = 0.1
Per avere l’errore assoluto basterà sommare gli errori assoluti:
∆ = ∆P + ∆T = 0.002 + 0.1 = 0.012

Conclusioni: L’obiettivo prefissoci all’inizio di questa esperienza era di imparare cosa fosse, e come avessimo potuto vedere e constatare gli effetti della variazione della temperatura di ebollizione in funzione della pressione. Attraverso esperienze sul campo, calcoli e richiami a leggi fisiche siamo venuti in possesso di tutti i mezzi utili a raggiungere questo scopo, di conseguenza effettuare una propria esperienza toccando con mano tutto ciò che prima si era elaborato mentalmente. Così, siamo giunti alla realizzazione dell’obiettivo iniziale.