Temperatura di congelamento dell'acqua
Qual è la temperatura di congelamento dell'acqua?
Il congelamento è il passaggio allo stato solido di una sostanza che normalmente è liquida come ad esempio l'acqua; è un processo esotermico in quanto avviene con cessione di calore.
La temperatura di congelamento (o punto di congelamento) è la temperatura alla quale un liquido congela ovvero è la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato liquido allo stato solido.
Il congelamento dell'acqua è il passaggio dell'acqua dallo stato liquido allo stato solido: avviene con cessione di calore e quindi è un processo esotermico.
La temperatura di congelamento è diversa da una sostanza all'altra e dipendente dalla pressione, ma a parità di pressione è sempre la stessa per tutti i campioni puri della stessa sostanza ed è quindi una proprietà caratteristica della sostanza ovvero una proprietà intensiva.
Quando si parla di temperatura di congelamento di un sostanza, senza fare riferimento alla pressione, si intende, convenzionalmente, una pressione esterna di 1 atmosfera.
Ma qual è la temperatura di congelamento dell'acqua?
Alla pressione atmosferica, ovvero alla pressione di 1 atmosfera, l'acqua congela alla temperatura di 0°C.
Come detto in precedenza, la temperatura di congelamento dipende dalla pressione e quindi è fondamentale specificarla quando si vuole definire la temperatura di congelamento di un liquido.
Come varia la temperatura di congelamento dell'acqua con la pressione?
L'acqua può congelare ad innumerevoli temperature perché innumerevoli sono i valori che la pressione esterna può assumere. Come detto in precedenza alla pressione di 1 atmosfera la temperatura di congelamento dell'acqua è 0°C, ma:
- per pressioni esterne maggiori di 1 atm il congelamento dell'acqua avviene a temperature più basse (e quindi a temperature inferiori a 0°C);
- per pressioni esterne minori di 1 atm il congelamento dell'acqua avviene a temperature più alte (e quindi a temperature superiori a 0°C).
Diagramma di stato e temperatura di congelamento dell'acqua
Il diagramma di stato dell'acqua è un diagramma che permette di conoscere, in funzione della temperatura e della pressione, i campi di esistenza di ciascuno stato di aggregazione dell'acqua e di definire le condizioni alle quali coesistono in equilibrio più stati di aggregazione dell'acqua stessa (solido, liquido e vapore).
Nella figura seguente è riportato il diagramma di stato dell'acqua:
Diagramma di stato dell'acqua: come si può notare gli assi delle pressioni e delle temperature del diagramma presentano delle parti tratteggiate poiché non sono in scala.
Il grafico è suddiviso in tre porzioni che rappresentano i campi di esistenza rispettivamente del solido (ghiaccio), del liquido e del vapore; in esso sono presenti inoltre tre linee (OA, OB, OCD).
Di queste la linea OCD rappresenta la variazione della temperatura di congelamento dell'acqua con la pressione esercitata dall'esterno sul sistema. Essa ha inizio alla temperatura di 0,01°C (P = 4,58 mmHg) e tale tratto di curva definisce i valori di T e di P ai quali esiste un equilibrio del sistema solido-liquido. Le pendenze della linea OCD (esagerate in figura per renderle evidenti) mostrano che:
- sino alla pressione di 2100 atm, la temperatura di congelamento dell'acqua diminuisce con l'aumentare della pressione (tratto OC);
- per pressioni superiori a 2100 atm la temperatura di congelamento dell'acqua aumenta con l'aumentare della pressione, (tratto CD).
Questo comportamento è conseguenza del fatto che al di sotto di 2100 atm il ghiaccio (ghiaccio I) ha volume maggiore dell'acqua liquida (quindi un aumento di pressione contrasta il congelamento dell'acqua che richiederà quindi temperature più basse).
A pressioni superiori alle 2100 atm si incontra tutta una serie di trasformazioni strutturali del ghiaccio I (zona rettangolare tratteggiata sulla OCD) in altri tipi di ghiaccio, tutti a volume minore di quello dell'acqua liquida.
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