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Il calore di un corpo dipende dall'energia cinetica delle sue molecole, in pratica dalla loro velocità ed ampiezza di spostamento, e da questa energia, che contrasta la forza di coesione, dipende lo stato fisico di una data sostanza: anche in un pezzo di ghiaccio le molecole sono in vibrazione, ma l'energia non è sufficiente a vincere la coesione e l'acqua rimane solida;
se lo riscaldiamo il movimento diventa via via più veloce e più ampio e si passa alla fase liquida; continuando a riscaldare tutta la massa passa allo stato di vapore dove le molecole, vinta la coesione, sono svincolate l'una dall'altra e possono liberamente vagare nello spazio circostante. Se raffreddiamo il vapore avviene necessariamente il processo inverso, da gas a liquido per tornare al solido.
Immergendo una mano nell'acqua, si ha una sensazione di caldo se le molecole dell'acqua hanno energia maggiore di quelle della nostra pelle (che ricevono impulsi più frequenti e più intensi e quindi sono eccitate ad accelerare , un po' come succede nei tamponamenti sull'autostrada); viceversa se le molecole della pelle sono più veloci è la mano a cedere energia, cioè calore, e la sensazioe è di freddo.
Il passaggio di energia, quindi la sensazione di caldo o freddo, dura finchè non si raggiunge l'equilibrio, ossia quando nella zona di contatto, dopo reciproche accelerazioni e rallentamenti, le molecole hanno acquistata la stessa velocità. Raggiunto l'equilibrio non c'è più trasmissione di calore tra i corpi a contatto e, se le misuriamo, risulta che le rispettive temperature sono eguali, per cui si parla di condizioni di isotermia.
La temperatura non è una misura diretta del calore di un corpo, bensì la misura della tendenza di un sistema a cedere o ad assorbire calore rispetto ad un livello energetico di riferimento; il livello prefissato è quello del ghiaccio fondente a pressione ambiente normale (non quello dell'acqua che sta ghiacciando che, per il citato fenomeno della sopraffusione, può essere molto inferiore).
Per graduare la misura si è preso un altro punto di riferimento, quello del vapore dell'acqua bollente, e la dilatazione del menisco di mercurio del termometro così registrata è stata suddivisa in parti eguali chiamate gradi. Esistono varie scale termometriche:
Per passare da una scala termometrica all'altra si applicano le seguenti relazioni:
°C : 100 = °R : 80 = (°F - 32) : 180 = (°K - 273,15) : 100
Molta attenzione quindi nell'interpretare una temperatura perchè, se non si conosce la scala in cui è espressa, si possono avere sgradevoli sorprese, come è accaduto a qualche "turista fai da te"; ad esempio, 41° se in centigradi (ossia 41°C) rappresentano una situazione molto calda; 41°F equivalgono invece a 5°C, quindi una condizione decisamente fresca; 41°K corrispondono a -232,15°C e non servono commenti.
Abbiamo visto che più raffreddiamo una sostanza più le sue molecole perdono energia cinetica riducendo sia la velocità che l'ampiezza di vibrazione; in pratica si avvicinano l'una all'altra, occupano sempre meno spazio e la sostanza aumenta di densità.
Questo è molto evidente nell'aria, dove le variazioni di temperatura sono la causa della circolazione atmosferica: l'aria fredda più pesante scende, quella calda sale e si creano così differenze di pressione che, non potendo esistere "vuoti d'aria", determinano spostamenti verticali e laterali (i venti, le brezze, ecc.) per mantenere l'equilibrio nel sistema.
L'acqua si comporta in un modo anomalo a causa della particolare struttura molecolare che possiede: se la raffreddiamo partendo da 10°C le sue molecole, giusta la legge generale, rallentano e si concentrano in un volume minore e la densità aumenta fino a raggiungere il massimo a 4°C; con ulteriore raffreddamento, la densità,
invece di continuare a crescere come ci si aspetterebbe, comincia a diminuire tanto che al congelamento, sotto i 0°C, il ghiaccio diventa più leggero (960 kg/mc contro i 1.000 dell'acqua di partenza) e quindi galleggia o comunque si forma in superficie.
Questa è una delle meraviglie della natura che hanno reso possibile la vita sulla terra; evidente, infatti, che se il ghiaccio fosse più pesante o cominciasse a formarsi dal fondo invece che da sopra, in molte zone del mondo (si pensi ai laghi di montagna, ai mari artici o antartici, ecc.) tutta la vita sarebbe impossibile.
Viceversa l'acqua a 4°C sprofonda immediatamente richiamando in superficie acqua più leggera, più calda o più fredda non importa, innescando così correnti (termoclino autunnale e primaverile) che permettono lo scambio sia di ossigeno che di elementi nutritivi tra superficie e fondale, scambio indispensabile per lo sviluppo delle componenti dell'ecosistema acquatico e della catena alimentare ad esso collegata, dal fitoplancton ai pesci, all'avifauna e all'uomo.
Questa anomalia è dovuta alla particolare conformazione della molecola dell'acqua: due atomi di idrogeno uniti ad un atomo di ossigeno (da cui la formula H2O che tutti conoscono) posti su un piano e distanziati a formare un angolo di 104,5°; ma la molecola non è piatta, perché l'ossigeno avvanza quattro elettroni periferici che si presentano come due "coppie solitarie" le quali,
dovendo distanziarsi al massimo nello spazio in quanto cariche elettriche eguali si respingono, si dispongono su un altro piano (figura a da P. Ball, 1999) per cui la molecola assume la forma di un tetraedro (figura b da P. Ball, 1999).
L'unione tra molecole dipende ancora dalla legge di attrazione o repulsione tra cariche elettriche per cui il collegamento può avvenire solo tra atomo di idrogeno e "coppia di elettroni" dell'ossigeno,
con il risultato che ogni molecola d'acqua può collegarsi solo con altre quattro molecole poste ai vertici del tetraedro. La presenza di legami idrogeno determina dunque la creazione di veri e propri "canali" che giustificano la minore densità del ghiaccio rispetto all'acqua liquida.
Allo stato liquido l'energia cinetica è notevole, quindi la coesione è debole e le molecole possono muoversi ed occupare disordinatamente tutto lo spazio disponibile, ma in quello solido, per ordinarsi nella sequenza prestabilita dando luogo ad un reticolo esagonale (figura sotto da P. Ball, 1999), devono distanziarsi; nello stesso volume entrano quindi meno molecole e ciò spiega la minor densità dell'acqua solida rispetto a quella liquida.
Difficile capire perché la massima densità dell'acqua sia a 4°C, l'ipotesi più accreditata è che a 0°C il ghiaccio cominci a fondere ma che fino ai 4°C rimangano ancora molecole aggregate in forma solida. Nel ghiaccio "amorfo", risultante dalla solidificazione di una massa d'acqua, la struttura esagonale non è visivamente evidente perché nel liquido le singole molecole sono più o meno legate da quelle vicine e quindi,
dovendo fermarsi tutte assieme nello stesso tempo, rimangono "disordinate" ed i vari reticoli si intersecano; viceversa nel ghiacco "cristallino" da sublimazione la forma esagonale è ben evidente (cristalli di neve fresca e brina di superficie), perchè nel vapore le molecole sono completamente libere per cui, sovrapponendosi una alla volta, non hanno interferenze nella costruzione del reticolo di base.
Alla dilatazione nel passaggio allo stato solido sono dovuti i ben noti effetti di demolizione che il ghiaccio opera in natura. Altro fenomeno legato alla diversa densità tra ghiaccio ed acqua è quello del "rigelo": due pezzi di ghiaccio se compressi uno contro l'altro si saldano assieme oppure un filo contrappesato agli estremi passa attraverso una barra di ghiaccio senza tagliarla.
La spiegazione è facile se si tiene conto che, sotto il filo, l'aumento di pressione avvicina le molecole, il che porta alla fase liquida ed il filo può procedere, mentre subito sopra, dove non c'è più compressione, le molecole possono ridistanziarsi e saldarsi a riformare il ghiaccio di partenza.
Il fenomeno del "rigelo" non permette solo di fare velocemente una palla di neve, ma ha effetti pratici importanti in vari settori:
- in glaciologia, dove porta la trasformazione della neve in ghiaccio;
- in nivologia, dove favorisce la sinterizzazione dei cristalli con formazione di strati compatti e resistenti che, salvo casi particolari, forniscono una buona stabilità antivalanga;
- nello sport, dove facilita lo scivolamento degli sci sulla neve o dei pattini sul ghiaccio; per altro interviene anche il calore prodotto dallo sfregamento;
- nelle tecniche costruttive su ghiacciaio o su terreni perennemente ghiacciati ("permafrost") delle zone polari, dove strutture pesanti sprofondano lentamente o sono comunque destabilizzate.
L'energia interna di un manto nevoso, in pratica il suo bilancio termico, è data dalla somma algebrica di varie componenti secondo la relazione del primo principio della termodinamica
Energia = L + R + Q dove
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L =
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energia meccanica derivata da un lavoro, quale la compressione (esempio classico il riscaldamento della pompa per biciclette), che nella neve è notevole sia nei grossi depositi da valanga o da vento, sia a monte di ostacoli che si oppongono al neviflusso, ed anche lo strofinamento (metodo economico per riscaldarsi le mani), che agisce in particolare nelle valanghe dove le velocità è elevata, mentre è trascurabile nel normale neviflusso data la velocità minima.
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R =
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energia radiante, che è positiva se il manto assorbe dall'ambiente circostante (ad esempio la luce diurna) ed è negativa se è il sistema che emette radiazioni (vedi il raffreddamento per irraggiamento notturno e la conseguente formazione di brina).
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Q =
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calore scambiato con materiali a contatto con la neve (ad esempio l'aria, il terreno, ecc.), con bilancio positivo se è la neve ad assorbire calore, negativo quando accade l'inverso.
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