 Il ghiaccio ha una struttura ordinata e spaziosa il cui volume diminuisce durante la fusione, perché le molecole si avvicinano per la rottura di svariati legami  cristallini. Nel riscaldamento dell’acqua, si verificano due fenomeni: abbattimento di altri legami reticolari che riduce il volume V e la dilatazione dovuta alla maggiore velocità delle molecole che incrementa V. Mentre aumenta la temperatura, fino a 4°C è dominante il primo comportamento ed il volume decresce, oltre i 4°C è più importante l’altro effetto ed il volume si eleva. A 4°C la densità dell’acqua, data dal rapporto tra la sua massa e il suo volume, è massima perché il volume diventa minimo. Il peso specifico è fornito dal rapporto tra il peso e il volume del liquido; poiché il peso è pari al campo gravitazionale (9,8 N / Kg alle nostre latitudini e al livello del mare) per la massa, anche il peso specifico in un determinato luogo raggiunge il suo massimo valore a 4°C. In assenza di campo gravitazionale, la temperatura influenza alla solita maniera la densità dell’acqua racchiusa in un recipiente; invece il peso specifico, essendo nullo in tale circostanza, non risente della variazione di temperatura.
Ogni particella del liquido, in equilibrio a temperatura uniforme, è sottoposta al suo peso equilibrato dalla spinta di Archimede  . Se una goccia A di acqua viene riscaldata a temperatura maggiore di quella del liquido circostante, a sua volta superiore ai 4°C, il volume di A si espande e ciò comporta un aumento della spinta che sposta A verso l’alto. Quindi le particelle calde salgono e quelle fredde scendono. L’inverso avviene al disotto di 4°C, per cui le gocce fredde si portano in alto e quelle calde in basso.
Questo comportamento può evidenziarsi con l’apparecchio di Hope , costituito da un cilindro nel quale sono inseriti due termometri, uno superiormente (S) e l’altro inferiormente (I).
 Strumento di Hope del Liceo Foscarini di Venezia
La parte centrale è avvolta da un recipiente in cui si pone del ghiaccio. Il cilindro viene riempito d’acqua a temperatura maggiore di 4°C. Al diminuire della temperatura, l’acqua fredda fluisce verso il basso ed il termometro I segna temperature minori dei valori di S. Poi I tende a stabilizzarsi a 4°C, in corrispondenza della massima densità dell’acqua, ed S scende anche al disotto di 4°C perché, a parità di volume e per queste temperature, il liquido freddo è più leggero di quello caldo.
Pasquale Catone – Docente di Fisica
|
