(Termodinamica/ fisica tecnica) Dubbio sulla formazione del vapore d’acqua in atmosfera.
Salve a tutti!
Ho un dubbio relativo alla formazione del vapore d’acqua in atmosfera. In particolare se considero un sistema aperto riempito di acqua che posiziono su un fornello, dopo un po’ di tempo l’acqua bollirà formando vapore d’acqua che verrà perso nell’atmosfera.
Passando però alla composizione chimica della atmosfera, si è visto che è presente anche del vapore d’acqua (ovviamente: ci sono le nuvole, fenomeni di nebbia....).
La mia domanda è: come è possibile da un punto di vista fisico che a pressione atmosferica nell’atmosfera sia presente del vapore d’acqua quando per ottenerlo da dell’acqua liquida alle stesse condizioni di pressione atmosferica la devo far bollire?
So che risulterà una banalità si più ma purtroppo non riesco a trovare una “motivazione” a questo evidentissimo fenomeno fisico.
Grazie mille in anticipo a chi risponderà,
Andrew
Ho un dubbio relativo alla formazione del vapore d’acqua in atmosfera. In particolare se considero un sistema aperto riempito di acqua che posiziono su un fornello, dopo un po’ di tempo l’acqua bollirà formando vapore d’acqua che verrà perso nell’atmosfera.
Passando però alla composizione chimica della atmosfera, si è visto che è presente anche del vapore d’acqua (ovviamente: ci sono le nuvole, fenomeni di nebbia....).
La mia domanda è: come è possibile da un punto di vista fisico che a pressione atmosferica nell’atmosfera sia presente del vapore d’acqua quando per ottenerlo da dell’acqua liquida alle stesse condizioni di pressione atmosferica la devo far bollire?
So che risulterà una banalità si più ma purtroppo non riesco a trovare una “motivazione” a questo evidentissimo fenomeno fisico.
Grazie mille in anticipo a chi risponderà,
Andrew
Risposte
"AndrewX":
La mia domanda è: come è possibile da un punto di vista fisico che a pressione atmosferica nell’atmosfera sia presente del vapore d’acqua quando per ottenerlo da dell’acqua liquida alle stesse condizioni di pressione atmosferica la devo far bollire?
Guarda che non c'è bisogno di farla bollire. Avrai notato che l'acqua evapora anche a temperatura ambiente: le cose bagnate dopo un po' sono asciutte, come sa ogni massaia che fa il bucato. Ad ogni temperatura esiste una tensione di vapore - la pressione alla quale liquido e vapore sono in equilibrio. A 100° la tensione di vapore uguaglia la pressione atmosferica, e allora l'acqua bolle, ma anche prima si forma vapore dal liquido
Anzitutto grazie mille per la tua rapida risposta: in effetti la parte pratica della questione mi torna... i panni si asciugano anche se non siamo a 100 gradi. Il problema stava nel dare la motivazione fisica che spero di aver colto dalla tua risposta. Se ho capito bene:
L’acqua evapora e diventa vapore d’acqua anche a temperatura ambiente (le cui quantità saranno determinate da altri fattori come pressione atmosferica locale, umidità della giornata...). Osservando la superficie PVT dell’acqua si può quindi dire che si forma il vapore a partire da quando siamo a degli Stati della curva limite inferiore (curva nella qualche c’è liquido e si forma la prima “goccia” di vapore). Il rapporto tra liquido e gas poi saranno date dalle specifiche condizioni al contorno.
Nel fenomeno dell’ebollizone invece si fornisce una determinata quantità di calore all’acqua che fa aumentare la sua temperatura. Anche qua non appena si comincia a formare del vapore vuol dire che siamo sulla curva limite inferiore. Percorriamo poi la isotermobarica dei 100°C fino ad arrivare (eventualmente) alla curva limite superiore nella quale l’acqua è tutta evaporata e c’è solo vapore.
Ti risulta corretto il ragionamento? ( o a qualcun altro che si è fermato a leggere!
)
L’acqua evapora e diventa vapore d’acqua anche a temperatura ambiente (le cui quantità saranno determinate da altri fattori come pressione atmosferica locale, umidità della giornata...). Osservando la superficie PVT dell’acqua si può quindi dire che si forma il vapore a partire da quando siamo a degli Stati della curva limite inferiore (curva nella qualche c’è liquido e si forma la prima “goccia” di vapore). Il rapporto tra liquido e gas poi saranno date dalle specifiche condizioni al contorno.
Nel fenomeno dell’ebollizone invece si fornisce una determinata quantità di calore all’acqua che fa aumentare la sua temperatura. Anche qua non appena si comincia a formare del vapore vuol dire che siamo sulla curva limite inferiore. Percorriamo poi la isotermobarica dei 100°C fino ad arrivare (eventualmente) alla curva limite superiore nella quale l’acqua è tutta evaporata e c’è solo vapore.
Ti risulta corretto il ragionamento? ( o a qualcun altro che si è fermato a leggere!
)
"AndrewX":
Ti risulta corretto il ragionamento?
Ci capisco poco. Quel che credo di sapere è che ad ogni temperatura, all'equilibrio, è presente del vapore, anche sotto 0°, in equilibrio col ghiaccio. Per l'ebollizione, può non essere necessario fornire calore: basta che la tensione di vapore superi la pressione esterna, il che si può ottenere sia scaldando, come si fa di solito, sia diminuendo la pressione esterna.
La temperatura di ebollizione dell'acqua a 1atm è 100 gradi se considero un sistema chiuso dove sta solo acqua (la fase liquida costituita da solo acqua e la fase gassosa costituita da solo vapore d'acqua) perché la definizione di tensione di vapore è: "[quella pressione] a cui il liquido è in equilibrio termodinamico con il SUO vapore."
Quando sei in atmosfera hai invece una miscela di gas: c'è l'ossigeno, l'azoto, gas nobili, inquinanti (purtroppo) ecc... ecc... Quindi la pressione del vapore d'acqua è data dalla sua pressione parziale $P_{vap} = P*y_{h_20}$ dove $y_{h20}$ è la concentrazione molare di vapore d'acqua nell'atmosfera. Capisci bene che, per quanta acqua ci possa essere "nel cielo", la sua concentrazione rispetto all'intera atmosfera ($y_{h20}$) è piccola e quindi anche la sua pressione parziale è piccola $P_{vap}$.
Dunque l'acqua liquida, all'aperto, si vorrebbe trovare in equilibrio termodinamico con il suo vapore, che però ha pressione $P_{vap} < P_{atm}$.
Ora tu sai bene che, diminuendo la pressione, l'acqua evapora prima (il classico esempio è la cottura della pasta in alta montagna) quindi questo ti spiega perché, a temperatura ambiente, l'acqua preferisce starsene nell'atmosfera piuttosto che in pentole o nel bicchiere.
Certo il processo è lento: un bicchiere pieno d'acqua non evapora all'istante ed anche quando metti a bollire l'acqua per fare la pasta, l'ebollizione, anche a 100 gradi, non è istantanea. Il tempo che l'acqua ci mette a evaporare tuttavia non ti viene detto dalla termodinamica e, se sei interessato, dovremmo fare una piccola parentesi sulla teoria della diffusione delle molecole di acqua in aria... ma lasciamo perdere, ai fini della tua domanda è irrilevante.
Quando sei in atmosfera hai invece una miscela di gas: c'è l'ossigeno, l'azoto, gas nobili, inquinanti (purtroppo) ecc... ecc... Quindi la pressione del vapore d'acqua è data dalla sua pressione parziale $P_{vap} = P*y_{h_20}$ dove $y_{h20}$ è la concentrazione molare di vapore d'acqua nell'atmosfera. Capisci bene che, per quanta acqua ci possa essere "nel cielo", la sua concentrazione rispetto all'intera atmosfera ($y_{h20}$) è piccola e quindi anche la sua pressione parziale è piccola $P_{vap}$.
Dunque l'acqua liquida, all'aperto, si vorrebbe trovare in equilibrio termodinamico con il suo vapore, che però ha pressione $P_{vap} < P_{atm}$.
Ora tu sai bene che, diminuendo la pressione, l'acqua evapora prima (il classico esempio è la cottura della pasta in alta montagna) quindi questo ti spiega perché, a temperatura ambiente, l'acqua preferisce starsene nell'atmosfera piuttosto che in pentole o nel bicchiere.
Certo il processo è lento: un bicchiere pieno d'acqua non evapora all'istante ed anche quando metti a bollire l'acqua per fare la pasta, l'ebollizione, anche a 100 gradi, non è istantanea. Il tempo che l'acqua ci mette a evaporare tuttavia non ti viene detto dalla termodinamica e, se sei interessato, dovremmo fare una piccola parentesi sulla teoria della diffusione delle molecole di acqua in aria... ma lasciamo perdere, ai fini della tua domanda è irrilevante.
Grazie davvero dRic!
Dunque, Se ho capito bene si ha che:
L’acqua evapora anche a temperatura ambiente perché la pressione che devo considerare per calcolare T*, temperatura alla quale tale fenomeno di evaporazione comincia, non è la pressione ambiente Patm ma la pressione parziale del vapore d’acqua Pvap che è molto minore di Patm (per ovvie considerazioni di composizione chimica dell’aria).
E qua mi sorge un altro dubbio: è giusto chiamare T* (temperatura ambiente alla quale comincia l’evaporazione di acqua) la “temperatura di ebollizione dell’acqua” così come faccio per T=100°C in un sistema chiuso contentne solo acqua? A me sembrerebbe di no perché a temperatura ambiente l’acqua che evapora dal bicchiere non bolle... ma allora non capisco la giustificazione che abbiamo dato.
Spero tu possa continuare ad aiutarmi, grazie ancora!
Dunque, Se ho capito bene si ha che:
L’acqua evapora anche a temperatura ambiente perché la pressione che devo considerare per calcolare T*, temperatura alla quale tale fenomeno di evaporazione comincia, non è la pressione ambiente Patm ma la pressione parziale del vapore d’acqua Pvap che è molto minore di Patm (per ovvie considerazioni di composizione chimica dell’aria).
E qua mi sorge un altro dubbio: è giusto chiamare T* (temperatura ambiente alla quale comincia l’evaporazione di acqua) la “temperatura di ebollizione dell’acqua” così come faccio per T=100°C in un sistema chiuso contentne solo acqua? A me sembrerebbe di no perché a temperatura ambiente l’acqua che evapora dal bicchiere non bolle... ma allora non capisco la giustificazione che abbiamo dato.
Spero tu possa continuare ad aiutarmi, grazie ancora!
"AndrewX":
..... T* (temperatura ambiente alla quale comincia l’evaporazione di acqua)
Ripeto: non c'è nessuna temperatura alla quale "comincia l'evaporazione". L'evaporazione avviene a qualsiasi temperatura, anche a 1K suppongo, quel che cambia è la pressione di vapore in equilibrio col liquido (o col solido) e di conseguenza la velocità con cui avviene.
"AndrewX":
E qua mi sorge un altro dubbio: è giusto chiamare T* (temperatura ambiente alla quale comincia l’evaporazione di acqua) la “temperatura di ebollizione dell’acqua” così come faccio per T=100°C in un sistema chiuso contentne solo acqua? A me sembrerebbe di no perché a temperatura ambiente l’acqua che evapora dal bicchiere non bolle... ma allora non capisco la giustificazione che abbiamo dato.
Beh, facciamo un esempio. Immaginiamo che la pressione parziale del vapore d'aqua sia 0.4 atm < 1 atm. Allora tu vai nelle tabelle e vedi che, diciamo un numero a caso, l'acqua dovrebbe bollire a 20°C (se fosse in un sistema chiuso!!). Allora tu mi stai chiedendo: "Posso affermare che, se l'acqua ha pressione parziale 0.2 atm, bolle a 20 °C"?
Qui bisogna stare attenti perché non siamo più nella regione della pura termodinamica. L'evaporazione di un bicchiere pieno d'acqua è un fenomeno complesso governato dalla teoria della diffusione e non può essere descritto con un modello semplice come quello che proponi per il semplice motivo che si formano differenze non trascurabili di concentrazione e temperatura tra la superficie dell'acqua e "il resto dell'ambiente" e quindi non stiamo più osservando un equilibrio termodinamico: anzi, il sistema è ben lontano dall'equilibrio (e quindi le equazioni della termodinamica vanno usate con le "pinze").
Qui metto qualche considerazione in più che mi sono venute mentre pensavo alla riposta
Aggiungo (e ripeto) che un bicchiere/una pozzanghera/ecc... NON sono all'equilibrio termodinamico con l'ambiente! Quindi è come se tu li stessi già guardando evaporare!
D’accordo in effetti in credo di capire ciò che vuoi dire... e per quanto riguarda la pentola però? A questo punto son curioso di sentire la fine del ragionamento
E inoltre... come mai sul diagramma PvT non riesco a vedere queste cose?
E inoltre... come mai sul diagramma PvT non riesco a vedere queste cose?
Come abbiamo già detto è tutto un gioco di diffusione vs. ebollizione. A temperature basse la diffusione è il processo determinante e quindi seppure lento è il meccanismo che ti porta alla scomparsa della fase liquida. A 100°C siamo propio in condizione di transizione di fase e quindi il fenomeno di ebollizione è nettamente predominante rispetto a quello di diffusione delle molecole di acqua in aria. Quindi, approssimando, è come se stessimo osservando un sistema con solo acqua perché gli effetti "secondari" sono di intensità minore.
D’accordo quindi ricapitolando:
- l’acqua bolle a pressione atmosferica a 100°C. Tale temperatura può variare a seconda della pressione atmosferica locale ma più o meno il valore è quello. In quel caso si ha passaggio da liquido a vapore d’acqua.
- la mia domanda era abbastanza insensata nel senso che il vapore d’acqua si può disperdere in atmosfera anche a partire da acqua liquida non a 100°C (evidente dal punto di vista pratico: panni che asciugano, acqua in un bicchiere...) ma la causa fisica di questo fenomeno non è la stessa dell’acqua che bolle. In questo caso è dovuto al non equilibrio tra ambiente e sistema è allora loro interazione. Si può comunque parlare di evaporazione perché difatti è ciò che accade ma sarebbe errato parlare di temperatura ebollizione per la temperatura a cui ciò accade. Il fenomeno di “diffusione” (come l’hai chiamato) può avvenire quindi a diverse temperature e Queste sono determinare dalla pressione di saturazione Ps.
Ti sembra tutto corretto? Grazie per la pazienza.
- l’acqua bolle a pressione atmosferica a 100°C. Tale temperatura può variare a seconda della pressione atmosferica locale ma più o meno il valore è quello. In quel caso si ha passaggio da liquido a vapore d’acqua.
- la mia domanda era abbastanza insensata nel senso che il vapore d’acqua si può disperdere in atmosfera anche a partire da acqua liquida non a 100°C (evidente dal punto di vista pratico: panni che asciugano, acqua in un bicchiere...) ma la causa fisica di questo fenomeno non è la stessa dell’acqua che bolle. In questo caso è dovuto al non equilibrio tra ambiente e sistema è allora loro interazione. Si può comunque parlare di evaporazione perché difatti è ciò che accade ma sarebbe errato parlare di temperatura ebollizione per la temperatura a cui ciò accade. Il fenomeno di “diffusione” (come l’hai chiamato) può avvenire quindi a diverse temperature e Queste sono determinare dalla pressione di saturazione Ps.
Ti sembra tutto corretto? Grazie per la pazienza.
Si penso che sia tutto corretto 
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