Trasformazioni termodinamiche

Credo che la divulgazione scientifica sia importante.

Credo che sia giusto cercare di spiegare la scienza in un modo che sia comprensibile, e di coinvolgere la gente, poiché sono convinto che la scienza sia tra le cose più belle e grandiose che l’essere umano sappia fare, tra le poche cose che ci caratterizzano e ci distinguono da tutte le altre specie.

Purtroppo, però, mi rendo conto che le battaglie da fare sono molteplici.

Me ne rendo conto quando sento comitati di cittadini controbattere gli studi scientifici di questo o quell’immunologo, pur non avendo la stessa conoscenza dell’argomento.

Me ne rendo conto ogni qual volta gente priva di qualunque competenza sentenzia su un esperimento per lo studio dei neutrini, confondendo reazioni nucleari con radioattività.

Potrei andare avanti per molto, dalla Xylella ai vaccini, dalle scie chimiche alla scienza “quantica”, dalla Stamina alla terra piatta.

Forse questo analfabetismo funzionale dilagante è colpa di chi ama la scienza e, per foga di spiegarla a tutti, l’ha banalizzata, facendo credere che per conoscere la scienza non ci si debba fare il cosiddetto “mazzo” sui libri, ma basti andare su Google o leggere un libro del Rovelli di turno.

O forse è colpa del fatto che il 30% degli italiani è funzionalmente analfabeta, contro il 12% della Finlandia o della Repubblica Ceca, e che un altro 50% è drammaticamente al di sotto delle capacità cognitive richieste per capire le dinamiche della conoscenza scientifica.

Io ci provo lo stesso, e continuo con il “Libro di Fisica”.

In “Temperatura e calore” abbiamo visto le leggi che regolano i processi termici, cioè tutti quei fenomeni che coinvolgono il concetto di calore e temperatura, dette “Leggi della termodinamica”.

Ripassiamole brevemente:

  • Principio zero, formulato nel 1931:

Come il tempo è la variabile più importante della Dinamica, così la temperatura è la variabile fondamentale della Termodinamica. Il principio zero della termodinamica introduce il concetto di temperatura, conoscendo la quale si può sapere con sicurezza se fra due sistemi ci sarà o no scambio di calore. Se fra due “sistemi” posti a contatto non c’è scambio di calore essi hanno la stessa temperatura.

  • Primo principio:

Il primo principio dice: L’energia si conserva. Il fatto che sia l’energia a conservarsi e non il calore fu compreso negli anni ’50 del 1800 e costituisce la conclusione delle scoperte di Kelvin e Clausius. L’energia spodestò dalla sua posizione dominante il concetto di “forza” che Newton aveva insegnato a trattare in termini matematici.

  • Secondo principio:

Il secondo principio riconosce che in Natura esiste una fondamentale asimmetria: un oggetto caldo si raffredda spontaneamente, ma un oggetto freddo non si riscalda spontaneamente; una palla lanciata in alto rimbalza e lentamente si ferma, ma una palla ferma non si mette a rimbalzare spontaneamente. Questo concetto ci dice che nonostante l’energia si conservi, la sua distribuzione cambia in modo irreversibile. L’energia contenuta in un litro di benzina viene trasformata dal motore a scoppio in energia termica e poi in lavoro meccanico, in energia elettrica, ecc. Quando il litro di benzina è bruciato completamente, in nessun modo è possibile recuperarlo.

  • Terzo principio:

Il terzo principio dice che non è possibile raggiungere la temperatura dello Zero Assoluto. Il volume di un gas diminuisce (o aumenta) di 1/273 del valore iniziale per ogni diminuzione (o aumento) di 1°C. Raffreddando un gas fino a -273°C si dovrebbe quindi annullare il suo volume e anche la sua pressione. Questo punto critico (impossibile da raggiungere) viene chiamato Zero Assoluto e le temperature contate a partire da tale punto vengono chiamate “temperature assolute”. L’acqua bollente si trova a 100°C nella scala Celsius e a 373° nella scala assoluta. In pratica nessun gas può raggiungere la temperatura dello Zero Assoluto e la condizione di volume nullo. Poco prima di raggiungere lo Zero assoluto qualsiasi gas condensa trasformandosi in liquido, che non può avere volume nullo. La scala delle temperature assolute è chiamata scala Kelvin.

Il riepilogo era per Andrea 😉

Torniamo all’inizio della scorsa spiegazione e ricordiamo il nostro bicchiere d’acqua visto al microscopio:

acqua ingrandita un miliardo di volte

Facciamo finta che quella osservata sia la superficie dell’acqua contenuta nel bicchiere, quindi a contatto con l’aria, quindi ci sarà qualche molecola di ossigeno, qualcuna di azoto, di anidride carbonica, argo e tutto ciò che compone l’aria. In più ci sarà il vapore acqueo.

L’aria è costituita quasi interamente di azoto, ossigeno, vapore acqueo e quantità minori di anidride carbonica, argo e altre cose. Quindi al di sopra della superficie dell’acqua c’è l’aria, un gas che contiene una certa quantità di vapore acqueo.

Le molecole dell’acqua, così come quelle dell’aria, sono in continuo movimento, cosicché ogni tanto una molecola d’acqua prende un po’ di velocità (abbiamo capito l’altra volta come può accadere) e vola via.

Dobbiamo immaginare questo: scaldando l’acqua, il movimento delle molecole aumenta e quelle superficiali tendono a staccarsi. Ma anche senza scaldare l’acqua, quelle superficiali si possono staccare lo stesso perché entrano in contatto con – ricordate? – il vapore acqueo.

Mettendo una sorta di coperchio al bicchiere, ci accorgeremmo che, potendo vedere il fenomeno ingrandito, alcune di queste molecole dopo un po’ fanno ritorno nell’acqua.

Così vediamo che una cosa apparentemente morta e insignificante (un bicchiere d’acqua con un coperchio, che magari è lì da vent’anni) in realtà contiene un interessante fenomeno dinamico che si svolge senza sosta. Ai nostri occhi, così limitati, sembra che niente cambi, ma se potessimo vedere le cose ingrandite un miliardo di volte ci renderemmo conto che dal punto di vista dell’acqua le cose sono in continuo cambiamento: delle molecole lasciano la superficie, altre vi fanno ritorno.

Come mai non ci accorgiamo di nulla? Perché tante molecole se ne vanno quante tornano; alla lunga non succede niente. Se invece togliamo il coperchio e soffiamo via l’aria umida, sostituendola con aria secca, allora il numero di molecole che volano via sarà esattamente lo stesso di prima, perché dipende dall’agitazione dell’acqua, ma il numero di quelle che tornano indietro diminuisce fortemente, perché nell’aria ci sono molte meno molecole d’acqua.

Quindi più molecole se ne vanno di quante ritornano, e l’acqua evapora. Perciò, se volete far evaporare dell’acqua, accendete un ventilatore!

Abbiamo accennato prima che se scaldiamo l’acqua, il numero di molecole che si stacca sarà superiore che a temperatura ambiente, perché avranno maggiore velocità.

Quindi, dato che se ne vanno le molecole con energia maggiore della media, quelle che restano hanno mediamente minor velocità di prima. Così, evaporando, il liquido gradualmente si raffredda.

Naturalmente, quando una molecola di vapore si avvicina alla superficie dell’acqua, a un certo punto si manifesta, improvvisamente, una forte attrazione che ne accelera il moto, e ciò si traduce in una produzione di calore. Così le molecole sottraggono calore quando se ne vanno, e lo generano quando tornano. Se l’evaporazione netta è nulla il risultato è anch’esso nullo: la temperatura dell’acqua non cambia. Ma se soffiamo sull’acqua per mantenere una continua preponderanza del numero delle molecole che evaporano, allora l’acqua si raffredda.

Ecco perché il consiglio della mamma quando siamo piccoli (soffia sulla minestra, così si raffredda!) ha basi scientifiche, ma nessuno di noi lo sa!

Naturalmente i processi appena descritti sono molto più complicati. Non solo l’acqua entra nell’aria, ma anche, di tanto in tanto, qualche molecola di ossigeno o di azoto entrerà nell’acqua «perdendocisi» dentro, avanzando tra le molecole d’acqua.

Quindi l’aria si dissolve nell’acqua, che conterrà quindi molecole di ossigeno e azoto, cioè conterrà aria. Se improvvisamente facciamo il vuoto nel recipiente, le molecole d’aria lasceranno l’acqua più rapidamente di quanto vi siano entrate, e in questo processo si formeranno delle bolle. Cosa molto pericolosa per chi fa immersioni subacquee, come forse avrete sentito dire.

Ma che succede se sciogliamo un solido nell’acqua? Ogni giorno, in tutte le case, avviene questo processo chimico: esatto, quando mettiamo il sale nell’acqua della pasta!

Il sale è un solido, un cristallo, una struttura organizzata di “atomi di sale”. In realtà, la configurazione del sale di cucina è data dall’unione del cloro con il sodio; il cloruro di sodio (NaCl) si trova abbondantemente in natura. La maggior parte è disciolta in acqua, a formare acqua marina; in parte si trova come minerale allo stato solido in giacimenti di terraferma (in questo caso prende il nome di “salgemma”).

Esso è essenziale per la vita sulla Terra. La maggior parte dei tessuti e dei fluidi degli esseri viventi contiene una qualche quantità di sale. Gli ioni sodio sono essenziali per la trasmissione dei segnali sensoriali e motori lungo il sistema nervoso.

Il simbolo del sodio (Na) deriva dal nome latino del “natrium” un sale naturale. Il nome latino “natrium” deriva dal greco νίτρον, nítron, che a sua volta derivava dal nome egizio del sale “Ntry”, che significa puro, divino, aggettivazione di “Ntr” che significa dio. Il cloro invece si chiama così a causa del suo colore (dal greco χλωρός, chloròs, “verde pallido”).

A rigor di termini un cristallo non è fatto di atomi, ma di ioni. Uno ione è un atomo che ha qualche elettrone in più, o ne ha perso qualcuno. In un cristallo di sale troviamo ioni di cloro (cioè atomi di cloro con un elettrone in più) e ioni di sodio (atomi di sodio con un elettrone in meno). Nel sale solido gli ioni stanno attaccati l’uno all’altro per via dell’attrazione elettrica, ma quando lo mettiamo nell’acqua scopriamo che a causa dell’attrazione dell’ossigeno negativo e dell’idrogeno positivo sugli ioni, alcuni di essi si liberano.

Vicino allo ione di cloro sono più frequenti gli estremi di idrogeno delle molecole d’acqua, mentre vicino allo ione di sodio è più probabile trovare l’estremo di ossigeno (infatti il sodio è positivo e l’estremo di ossigeno dell’acqua è negativo, quindi si attraggono elettricamente).

Anche qui il processo è dinamico, come nel caso dell’evaporazione, e dipende dalla quantità di sale nell’acqua: se è maggiore o minore di quella necessaria all’equilibrio.

Con la parola “equilibrio” intendiamo la situazione in cui tanti atomi se ne vanno quanti tornano indietro. Se nell’acqua non c’è sale quasi per niente, se ne vanno molti più atomi di quanti tornino, e il sale si scioglie; per contro, se ci sono troppi “atomi di sale”, quelli che tornano saranno in numero maggiore e il sale cristallizza.

Ritornando alla nostra discussione sulla soluzione e la precipitazione, se la temperatura della soluzione aumenta, aumenta la quantità di atomi che lasciano il cristallo, così come aumenta la quantità di quelli che tornano indietro. In generale è molto difficile riuscire a prevedere in quale modo finirà, se il solido si scioglierà in quantità maggiore o minore. La maggior parte delle sostanze si scioglie di più all’aumentare della temperatura, ma alcune si sciolgono di meno.

Ma una questione si apre ora che abbiamo queste nozioni: il sale, si mette prima o dopo il bollore? E aiuta la pasta a bollire prima?

Sapendo che il punto di ebollizione di un litro di acqua aumenta di un grado Celsius ogni 58 grammi di sale aggiunti, la risposta sarebbe: prima!

Ma poiché solitamente si usano 5-10 grammi di sale per litro, in pratica l’aggiunta del sale in cucina non aumenta il punto di ebollizione in modo apprezzabile: la scelta è in pratica ininfluente rispetto ai tempi necessari per portare all’ebollizione.

Io la salo prima per evitare di dimenticarmi. Anzi, evito di cucinare!

5 Replies to “Trasformazioni termodinamiche”

  1. “Quando il litro di benzina è bruciato completamente, in nessun modo è possibile recuperarlo.” attento a dire queste cose in questo periodo! Potrebbero dire che deve essere tutto un complotto e che c’è qualcuno che sa come fare ma se lo facesse…:-D
    E nel congratularmi per il sempre piacevole modo di spiegare fenomeni complessi ti cito (sperando sia vera ma credo lo sia!) il buon vecchio Asimov:
    C’è un culto dell’ignoranza negli Stati Uniti, e c’è sempre stato. La vena di antiintellettualismo si è sempre intrecciata ai gangli vitali della nostra politica e cultura, alimentata dalla falsa nozione che democrazia significhi “la mia ignoranza vale quanto la tua conoscenza”.“

    Beh, a parte riferirsi ai soli Stati Uniti non credo abbia sbagliato poi così tanto!

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  2. Io il sale lo metto prima per evitare di dimenticarmi.
    Bello Francesco questo tuo excursus a prova di dummy (cioè io).
    Sul fatto delle facoltà cognitive degli italiani, io ho davvero molti dubbi. Purtroppo anche alcuni miei amici, uno in particolare, crede ancora a stupidaggini tipo scie chimiche o quant’altro. E tentare di spiegargli le cose ottiene l’effetto contrario.
    Il problema è quando ci si mette in testa idiozie tipo la no-vax (l’opposizione alle vaccinazioni) che creano squilibri a tutta la comunità. Io davvero certe cose non le capisco proprio. Un po’ come la termodinamica.

    Se mi fai capire il Teorema di Fermat (capire, eh… mica basta spiegarlo) avanzi una birra.

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