Il ghiaccio fonde

Finalità

Transizione di fase, temperatura caratteristica per le sostanze pure e suo valore per l'acqua. Riconoscere il cambiamento di fase dell'acqua e la temperatura costante di 0°C durante tutto il processo di fusione, indipendentemente dalla massa di ghiaccio che fonde.

Materiale necessario

Un bicchiere di plastica trasparente
Termometro digitale o a dilatazione da esterno (-5°C/50°C, 1°C), oppure sensore di temperatura collegato a interfaccia per elaboratore.
Supporti per sorreggere il termometro (es.: mollette da bucato)

Principio della misura

Si misura l'andamento della temperatura nel tempo di una massa di giaccio che fonde.

Assemblaggio e descrizione della procedura

Si dispone il bulbo di un termometro o un sensore termico nell'acqua contenuta in un bicchiere di plastica. Si mantiene verticale il termometro immerso nell'acqua, in modo che non tocchi il fondo del bicchiere. A tal fine si può sorreggerlo con un supporto esterno o mantenerlo verticale con una molletta da bucato, come in figura 1.
Si pone il tutto nel freezer.
Una volta che tutta l'acqua si è solidificata e il termometro è bloccato nel ghiaccio, si estrae il bicchiere dal freezer e si rileva la temperatura ad intervalli regolari di tempo. Bisogna agitare la miscela acqua e ghiaccio, quando la quantità di acqua fusa è confrontabile con quella del ghiaccio.
Per velocizzare il processo di fusione si può porre il bicchiere sopra ad un termosifone, appoggiandolo su un piattino per evitare che si fonda la plastica.

Figura 1. Nelle tre figure: il bulbo del termometro viene sospeso nell'acqua a temperatura ambiente, con una molletta da bucato che appoggia sul bordo del bicchiere di plastica. Il bicchiere estratto dal freezer contiene ghiaccio e il termometro è immerso nel ghiaccio. Dopo pochi minuti la temperatura del ghiaccio è di -5°C.

Dati campione

Figura 2. La misura durante tutto il processo di transizione di fase, che inizia al momento in cui il ghiaccio raggiunge 0°C e dura fino a che nell'acqua vi sono pochissime parti di ghiaccio, come nell'ultima foto in basso a destra.

Elaborazione dati

Si riportano i valori rilevati per la temperatura in un diagramma temperatura-tempo.

Dati ottenuti con il sistema di figura 1, e un termometro -20°C-50°C, sensibilità 0,5°C.

Discussione dei risultati

Si osserva che l'aumento di temperatura del sistema estratto dal freezer, si ferma soltanto e per tutto il tempo in cui avviene il cambiamento di fase, ossia fino a che tutto il ghiaccio è fuso. L'acqua ottenuta dalla fusione del ghiaccio resta a temperatura di 0°C (o prossima a 0°C a seconda del valore della pressione atmosferica) fino a che è presente anche una piccola quantità di ghiaccio. Una volta terminata la transizione di fase la temperatura ricomincia a salire.
Si può osservare che il ghiaccio, passa da -20 °C a 0°C, in circa 15 minuti. L'acqua passa da 0°C a 10 °C in circa 30 minuti. Poiché il riscaldamento è avvenuto con una temperatura ambiente pressoché costante, si può pensare che l'ambiente abbia riscaldato sempre nello stesso modo il sistema. Si può allora osservare che a parità di riscaldamento (stesso tempo di riscaldamento), l'acqua innalza la propria temperatura della metà e perciò la stessa massa ha una specifica necessità di riscaldamento doppia di quella del ghiaccio per comportarsi nello stesso modo del ghiaccio ed effettuare lo stesso salto di temperatura.
Ad un livello di analisi più avanzato si può osservare che la temperatura esterna costante produce un flusso di calore costante dall'esterno al sistema. Il tempo quasi doppio necessario all'acqua per effettuare lo stesso salto di temperatura può essere allora attribuito al maggiore calore specifico dell'acqua rispetto a quello del ghiaccio . Un'analisi quantitativa delle pendenze ossia delle variazioni di temperatura di ghiaccio e acqua per un fissato intervallo di tempo, evidenzia che il ghiaccio si riscalda circa 2 volte più velocemente dell'acqua. Ciò è in accordo con il fatto che il calore specifico del ghiaccio è metà di quello dell'acqua.

Formalmente:
j = [(cG*m*DT) / dt ]ghiaccio = [(cA *m*DT) / (2*dt) ]acqua
dove j è il flusso di calore, (c*m*DT) è il calore o riscaldamento, con c calore specifico della sostanza, m massa in esame, DT salto di temperatura e dt durata del riscaldamento.
Pertanto cG = (1/2) *cA

le pendenze del grafico allora sono
[
DT / dt ]ghiaccio = 2 *[DT / dt ]acqua

Considerazioni conclusive

Il ghiaccio fonde mantenendo costante la temperatura per tutto il tempo in cui dura il processo di fusione. A parità di condizioni ambientali (pressione) la temperatura di fusione è fissata. A pressione ambientale resta prossima a 0°C.