mercoledì 27 maggio 2015

Facciamo chiarezza: La Sublimazione

Quest'anno, per chiudere l'anno scolastico in un modo un po' diverso, visto che una volta tanto mi sono trovato ad essere avanti col programma anzichè indietro, ho assegnato a una delle mie classi delle "ricerche" di Fisica da svolgere a coppie su temi che non sono stati spiegati in classe (termologia e cenni di termodinamica). Lo scopo è quello di  vedere come se la cavano gli studenti nella ricerca e nella scelta di informazioni quando l'argomento gli è quasi del tutto sconosciuto. Questa modalità di lavoro non è molto lontana da quella che si usa nei moduli Clil (se non sai di cosa si tratta clicca sul link, qui non riesco a spiegartelo senza andare fuori tema) ma in italiano.

In settimana mi consegneranno i lavori e vedrò com'è andata.
Naturalmente non li ho lasciati completamente allo sbaraglio, ho dedicato 4 ore di Fisica (2 settimane intere) alla fase di ricerca su internet e girando tra i gruppetti ho cercato di guidare il loro lavoro.
In particolare un gruppetto si è occupato dei passaggi di stato e si è arenato, guardacaso, sulla sublimazione. O meglio, diciamo che ragionando sulla sublimazione è venuto fuori che le condizioni necessarie a far avvenire i vari passaggi di stato gli risultavano piuttosto fumose.

In effetti, chi non sa cosa sono i passaggi di stato? 
Penso che con un piccolo sforzo di memoria scolastica chiunque possa arrivare ai famosi "solidificazione", "fusione", "evaporazione" ecc... Se ve li ricordate forse ricordate anche che quello più strano era appunto la "sublimazione": con questo fenomeno una sostanza (di solito per semplicità si pensa all'acqua) passa direttamente dallo stato areiforme a quello solido e viceversa. In genere i libri portano come esempio alcune sostanze famose per mostrare questa trasformazione (la naftalina e il ghiaccio secco) ma il principio vale in teoria per qualsiasi cosa. Ed è qui che sta la stranezza: perché nessuno di noi ha esperienza di un blocco di acqua ghiacciata che evapora senza passare dalla fase liquida? Perché invece la natfalina evapora negli armadi senza formare prima delle pozzanghere?
Evidentemente c'è qualcosa che il senso comune non riesce a spiegare e ci sta... Quello che invece  mi ha stupito è che cercando in rete usando parole chiave come " sublimazione " o " condizioni per far avvenire la sublimazione " non abbiamo trovato pagine molto utili allo scopo...
Per carità, di siti che riportano il grafico P-T che spiegherò tra poco è piena la rete ma praticamente nessuno è riuscito a chiarire le idee a dei non esperti in materia... Sicuramente cambiando parole avremmo avuto più fortuna ma ho deciso comunque di dedicare questo post a fare chiarezza su questo tema!

Inizio con un aneddoto.
L'anno scorso ho sostenuto l'esame FCE (inglese livello B2) e durante la preparazione una mia collega di Inglese si è offerta di dare una mano a me e agli altri coraggiosi. Nel ripassare le situazioni in cui si usa il simple present ci diceva: 
... e lo si usa anche per indicare verità certe o fatti scientifici come ad esempio water boils at 100 degrees... 
E io pronto a fare il guastafeste intervengo:
Bè, non è mica così vero!
E dicevo la verità! L'acqua non bolle sempre a 100 gradi!
La temperatura di ebollizione dipende infatti anche dalla pressione atmosferica che circonda l'acqua. In zone a bassa pressione, come in alta montagna, l'acqua bolle a temperature inferiori! Una formula con cui si può calcolare la giusta temperatura è
Te(z) ~ 373 K / ( 1 + 8.8 10-6 z ) -273
dove T è la temperatura e z l'altitudine espressa in metri (qui una spiegazione più dettagliata).
Per farvi un'idea potreste usarla per calcolare quanto vale a 2500 metri di altitudine. 92°? Risposta esatta! E in cima all'Everest? Esatto, 73° gradi!
Avrete forse intuito che al diminuire della pressione diminuisce anche la temperatura di ebollizione che di fatto è la massima temperatura a cui si può trovare acqua allo stato liquido. Cosa accadrebbe allora se potessimo salire ancora più su fino a uscire dall'atmosfera? Avremmo pressioni sempre più basse e di conseguenza temperature di ebollizione sempre inferiori! C'e un limite? Bè si, a un certo punto la temperatura di ebollizione coinciderà con quella di fusione del ghiaccio e potremmo finalmente vedere coi nostri occhi (dietro un'opportuna tuta pressurizzata) un blocco di ghiaccio diventare direttamente vapore! È esattamente quello che accade alle comete: quando sono lontane dal Sole, al freddo, sono dei blocchi di ghiaccio ma quando si avvicinano e arrivano più o meno dalle parti di Marte la loro temperatura cresce e iniziano a sublimare lasciandosi dietro la ben nota coda.

Tutto questo è riassunto nel già citato grafico Pressione-Temperatura o Diagramma di fase.

Diagramma di fase dell'acqua. Fonte: chimicamo.org
Questo grafico è diviso in zone corrispondenti ai 3 stati solido, liquido e areiforme; le linee continue sono i passaggi di stato. In questo grafico muoversi avanti e indietro lungo un'orizzontale significa aumentare e diminuire la temperatura mantenendo costante la pressione mentre muoversi lungo una verticale è l'esatto opposto. Come esempio è rappresentata la linea tratteggiata orizzontale all'altezza di 1 Atm cioè alla pressione al livello del mare. Come si nota, lungo questa linea si ha fusione a 0 °C e vaporizzazione a 100 °C. Se si scende a valori di pressione inferiori le due temperature si avvicinano fino a combaciare. In questa particolare condizione di pressione e temperatura l'acqua può trovarsi in tutti e tre gli stati: questo punto è chiamato infatti punto triplo.
Andando invece a pressioni superiori a 1 Atm l'ebollizione avviene a temperature più alte. Un'esempio è la pentola a pressione: l'alta pressione all'interno della pentola fa in modo che l'acqua resti liquida anche sopra i 100 °C permettendo così di cuocere più in fretta.
Tutto chiaro?
Torniamo allora all'interrogativo iniziale: quando può avvenire la sublimazione?
Può avvenire quando la pressione è sufficientemente bassa da escludere la fase liquida! Non importa quanto calore venga fornito al ghiaccio e quanto velocemente, a comandare qui è la pressione!
Per l'acqua la pressione deve essere inferiore a circa 0,006 Atm (che è appunto la pressione di punto triplo) mentre per altre sostanze, come i già citati ghiaccio secco e naftalina può avvenire a pressione atmosferica.
Per stare in tema ho trovato su youtube un video in cui 3 pazzi fanno sublimare circa 6 Kg di ghiaccio secco (cioè ghiaccio di CO_2) buttandolo in una vasca da bagno. Se volete guardarlo cliccate qui!

Alla prossima!
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Nota: Questo articolo ha vinto il primo premio a pari merito alla 52° edizione del Carnevale della Fisica!
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