Sopraffusione
La sopraffusione o sottoraffreddamento è il processo di raffreddamento di un liquido al di sotto della sua temperatura di solidificazione, senza che avvenga effettivamente la solidificazione stessa. Questo fenomeno si osserva principalmente nei polimeri, materiali formati da macromolecole impedite nella cristallizzazione da fenomeni sterici, oppure, nel caso di materiali composti da piccole molecole, nei liquidi puri e perfettamente in quiete.
Nel secondo caso, se si perturba lo stato di quiete (agitando il liquido introducendovi un corpo estraneo) si provoca l'immediata solidificazione del materiale e l'aumento della sua temperatura fino al punto di solidificazione. Ciò che si viene a creare è una situazione instabile da un punto di vista termodinamico, cioè il liquido è in condizione metastabile. Questo comportamento è dovuto al fatto che anche i movimenti su scala molecolare, cioè traslazionali, rotazionali e vibrazionali subiscono un brusco rallentamento. Le molecole non hanno dunque il tempo (cinetica) per cambiare posizione, ed ordinarsi in un reticolo cristallino stabile da un punto di vista termodinamico (che può essere individuato sul diagramma di stato).
L'acqua può rimanere allo stato liquido fino a -42 °C in assenza di nuclei glaciogeni. La presenza di acqua sopraffusa a temperature inferiori a 0 °C è molto probabile tra 0 °C e -12 °C, poco probabile tra -12 °C e -20 °C e rara tra -20 °C e -42 °C. Oltre -42 °C è impossibile.
Nel caso particolare dei metalli liquidi e dei polimeri in corso di solidificazione, si definisce "grado di sottoraffreddamento", o semplicemente sottoraffreddamento (o "grado di soprafusione"), la differenza fra la temperatura alla quale è stata sottoraffreddata una data sostanza e quella a cui inizia effettivamente la solidificazione del liquido (temperatura di equilibrio). Tale grandezza dipende dal grado di purezza del metallo e dalla velocità di asportazione del calore dal bagno liquido.
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[modifica] Acqua sopraffusa
Per acqua sopraffusa (supercooled water) si intende il fenomeno per il quale l'acqua rimane liquida a temperature inferiori a 0 °C.
[modifica] Approfondimento
Il fenomeno dell'acqua sopraffusa si verifica a causa delle dimensioni delle gocce d'acqua: un goccia che sia troppo piccola ha la proprietà di avere una tensione superficiale tale da non farla ghiacciare. Altre condizioni da rispettare perché il fenomeno avvenga sono la purezza dell'acqua, che deve quindi essere priva di sali, e il raffreddamento deve avvenire in uno stato di quiete.
L'acqua sopraffusa è una condizione estremamente instabile e ha la proprietà di solidificare a contatto con altri oggetti[1]. Anche le vibrazioni possono portare alla solidificazione immediata della goccia. Il cristallo di ghiaccio ha una struttura cristallina differente rispetto ai cristalli di ghiaccio classici. Il cristallo di ghiaccio muta forma a seconda della temperatura dell'acqua sopraffusa da cui deriva[2]:
- intorno ai -6 °C si ha una piastrina che cresce nel senso dello spessore, formando sottilissimi aghi di sezione esagonale
- intorno ai -10 °C l'aumento della dimensione dei cristalli avviene nel senso delle dimensioni maggiori dell'esagono iniziale, formando piastrine esagonali più ampie
- intorno ai -15 °C la crescita avviene sui vertici del perimetro del cristallo, con la formazione di dendriti che danno alla piastrina iniziale la forma di stella a sei punte
- oltre i -20 °C la crescita del cristallo avviene in altezza, creando esagoni cavi internamente
Il fenomeno per il quale l'acqua sopraffusa si congela istantaneamente al contatto con un solido prende il nome di gelicidio[3].
L'acqua sopraffusa è relativamente comune a temperature fra gli 0 °C e i -12 °C. È più difficile trovare tale fenomeno tra i -12 °C e i -20 °C. È molto raro che il fenomeno si presenti tra i -20 °C e i -40 °C, mentre non si hanno notizie del fenomeno oltre -40 °C.
[modifica] Problemi pratici
Le nubi contenenti acqua sopraffusa possono essere pericolose per gli aerei che le attraversano. La tendenza quasi istantanea a formare una pellicola di ghiaccio dell'acqua sopraffusa a contatto con un solido può provocare il blocco dei comandi o appesantire sensibilmente il mezzo[4].
La presenza di acqua sopraffusa è spesso sintomo di grandine[5], in quanto l'acqua sopraffusa è tipica delle nubi cumuliformi.
[modifica] Note
- ^ Acqua. MSN Encarta. URL consultato in data 31-12-2008.
- ^ Conoscere la neve. snobord.it. URL consultato in data 31-12-2008.
- ^ Una delle cose più bizzarre della chimica. IlMeteo.it, 20-09-2007. URL consultato in data 31-12-2008.
- ^ Meteoservice Staff. Un fenomeno che mi ha sempre affascinato: acqua sopraffusa. Meteoservice.it, 19-05-2007. URL consultato in data 31-12-2008.
- ^ . Meteo grandine. URL consultato in data 31-12-2008.
[modifica] Bibliografia
- Boris Weinberg, La cristallizzazione dell'acqua soprafusa , Roma, Italian Physical Society riprende da Il Nuovo Cimento (1901 - 1910), 2007. vol. 16, numero 1, dicembre 1908
