Ghiaccio: differenze tra le versioni
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Versione delle 13:47, 29 giu 2011
Ghiaccio è il nome comune usato per designare l'acqua allo stato solido; è un solido cristallino trasparente. La stessa parola "cristallo" deriva dal termine greco che significa "ghiaccio". A pressione atmosferica standard (101 325 Pa) la transizione di fase avviene quando l'acqua liquida viene raffreddata sotto gli 0 °C (273,15 K, 32 °F).
Solidificazione
L'acqua può rimanere allo stato liquido anche sotto 0 °C a causa del fenomeno di sopraffusione (fino a -42 °C) oppure con pressioni inferiori a quella normale (fino a -30 °C); viceversa il ghiaccio può formarsi anche a temperature superiori a 0 °C con pressioni superiori a quella normale. Esistono 15 differenti fasi solide dell'acqua, ma la più comune è la Ih, che è l'unica presente nella biosfera, a parte una piccola percentuale di Ic rintracciabile nell'alta atmosfera. Le varie fasi del ghiaccio formate a pressioni differenti da quella normale hanno una struttura cristallina differente da quella del ghiaccio comune.
Ghiaccio, acqua e vapore acqueo possono coesistere al punto triplo, che per questo sistema è posto alla temperatura di 273,16 K (0,01 °C) e alla pressione di 611,73 Pa.
Peculiarità
Un corpo che si muove sul ghiaccio si muove "scivolando", cioè senza diminuire in maniera consistente la propria velocità. Ciò è dovuto al fatto che un corpo poggiato sul ghiaccio è soggetto alla forza peso che lo spinge verso il basso; tale forza si manifesta come una pressione che agisce sulla superficie di contatto tra il corpo in questione e il ghiaccio sottostante, e provoca una parziale fusione del ghiaccio, con la formazione di un sottile strato di acqua che aderisce al corpo e ne permette lo scivolamento.
Grazie alla formazione del suddetto straterello d'acqua, le due superfici solide (il corpo che scivola e la superficie ghiacciata) non sono direttamente a contatto, per cui il movimento viene rallentato da una forza di attrito viscoso (che si esplica tra l'acqua e le superfici solide), che è nettamente inferiore alla forza di attrito radente che si avrebbe se le superfici solide fossero direttamente a contatto.
Inoltre, la pressione è data dal rapporto tra la forza applicata e l'area della superficie di contatto (p = F/A), per cui diminuendo l'area della superficie di contatto aumenta la pressione e di conseguenza il ghiaccio sottostante si scioglie più facilmente, per cui l'attrito è minore. Per tale motivo le lame dei pattini da ghiaccio devono essere molto sottili.
L'attrito inoltre genera calore, il quale contribuisce in parte alla formazione dello straterello di acqua.
Perché si possa scivolare sul ghiaccio infine la superficie del ghiaccio deve essere abbastanza liscia; tale condizione viene ad esempio soddisfatta se il ghiaccio si forma per lenta solidificazione di uno specchio d'acqua.
La teoria precedente non spiega comunque perché anche piccoli oggetti leggeri riescano a scivolare sul ghiaccio. Per tale motivo, tale teoria è stata superata da un'altra teoria secondo la quale il principale motivo della riduzione dell'attrito sia il fatto che le molecole prossime alla superficie abbiano una maggiore mobilità delle molecole del bulk, per cui permettono lo scivolamento.
Una caratteristica insolita del ghiaccio è che il solido ha una densità che è circa dell'8% inferiore a quella dell'acqua liquida. A 0 °C e a pressione atmosferica, il ghiaccio ha una densità di 0,917 g/cm³, l'acqua di 0,9998 g/cm³. L'acqua liquida ha un massimo di densità, esattamente 1 g/cm³, a 4 °C e diventa meno densa quando le sue molecole tendono a disporsi nelle geometrie esagonali che daranno il ghiaccio, mentre la temperatura scende verso gli 0 °C. Ciò è dovuto ai legami che si formano tra le molecole d'acqua per mezzo degli atomi di idrogeno, che allineano le molecole in maniera meno efficiente, in termini di volume, quando l'acqua congela. Il risultato di ciò è che il ghiaccio galleggia sull'acqua, un fattore importante per il clima della Terra e essenziale per la vita acquatica (e per la vita in generale), perché, bloccando i fenomeni di convezione, impedisce che l'acqua sottostante continui a raffreddarsi e congeli tutta.
Effetti e importanza
Il disgelo dei ghiacciai montani alimenta i fiumi a valle. Quasi tutti i ghiacciai della Terra si stanno esaurendo. Le bianche superfici ghiacciate del nostro pianeta riflettono nello spazio il calore solare e riducono l'effetto serra. Quasi in ogni loro località le calotte polari si stanno riducendo. L'aumento della superficie oceanica (sia a discapito delle calotte polari, sia per l'innalzamento del livello del mare nelle zone equatoriali) fa assorbire più calore solare e contribuisce al riscaldamento ed alla fusione globale dei ghiacci.
Tipi di ghiaccio
Il ghiaccio e la neve con cui abbiamo a che fare normalmente ha una struttura cristallina esagonale (ghiaccio Ih). Solo leggermente meno stabile (metastabile) della forma esagonale è quella cubica (ghiaccio Ic). Ma raffreddare il ghiaccio Ih provoca la formazione di una diversa configurazione nella quale si muovono i protoni, XI.
Sfruttando sia il raffreddamento che la pressione possono esistere ulteriori tipi di ghiaccio, ognuno creato in base al diagramma di fase del ghiaccio. Questi sono II, III, V, VI, VII, VIII, IX e X. Con attenzione tutti questi tipi possono essere riportati a temperatura ambiente. I vari tipi differiscono per la loro struttura cristallina, ordinamento e densità. Ci sono due fasi metastabili del ghiaccio: la IV e la XII. Il ghiaccio XII venne scoperto nel 1996. Nel 2006 sono state scoperte le fasi XIII e XIV. Così come in forme cristalline l'acqua può esistere in stati amorfi: acqua solida amorfa, ghiaccio amorfo a bassa densità, ghiaccio amorfo ad alta densità, ghiaccio amorfo ad altissima densità e acqua vetrosa sottoraffreddata.
La brina è un tipo di ghiaccio che si forma per brinamento (che è appunto il termine tecnico per il passaggio diretto dallo stato aeriforme a quello solido) del vapore presente nell'aria a contatto con oggetti freddi. Essa contiene un'alta porzione di aria intrappolata, che la fa apparire bianca invece che trasparente e le conferisce una densità che è circa un quarto di quella del ghiaccio puro. La galaverna si forma invece per il congelamento delle gocce d'acqua contenute nella nebbia sulle superfici, quando la temperatura è inferiore a 0 °C.
Il ghiaccio può anche formare ghiaccioli, simili come aspetto alle stalattiti, quando l'acqua gocciola e si ricongela.
I clatrati idrati sono forme di ghiaccio che contengono molecole di gas intrappolate nella sua struttura cristallina. Il Pancake ice è una formazione di ghiaccio creata generalmente in zone con condizioni meno calme.
Alcune miscele di ghiaccio e segature di legno sono meccanicamente molto più resistenti del ghiaccio comune.
Alcune altre sostanze (in particolare forme solide di sostanze che si trovano solitamente come fluidi) vengono anch'esse chiamate "ghiaccio": il ghiaccio secco, ad esempio, è il termine con cui ci si riferisce comunemente al biossido di carbonio allo stato solido.
Il termine "ghiaccio" viene usato nelle metafore per indicare cose che sono in qualche modo fredde, dure, e lucide, ad esempio avere un "cuore di ghiaccio".
Relazione degli esseri umani col ghiaccio
Quando il ghiaccio fonde, assorbe una quantità di energia (il calore di fusione) pari a quella necessaria ad innalzare la temperatura di una massa equivalente d'acqua di 80 °C, mentre la sua temperatura rimane costante a 0 °C. Di conseguenza, il ghiaccio è stato per lungo tempo usato come efficace mezzo di raffreddamento. Fino a tempi recenti, l'edificio del Parlamento ungherese usava ghiaccio raccolto in inverno dal Lago Balaton come risorsa principale per il condizionamento dell'aria. Le ghiacciaie venivano usate per immagazzinare ghiaccio durante l'inverno in modo da preservare i generi deperibili durante l'estate, e i primi frigoriferi funzionavano con un blocco di ghiaccio conservato al loro interno. La produzione e l'uso di cubetti di ghiaccio o di ghiaccio tritato è comune per raffreddare le bevande.
Il ghiaccio gioca un ruolo importante anche nelle attività ricreative invernali, soprattutto con sport come il pattinaggio su ghiaccio, l'hockey su ghiaccio, il curling, e l'alpinismo sui ghiacciai.
Il ghiaccio può anche essere un ostacolo; per i porti vicini ai poli geografici, essere liberi dal ghiaccio è una necessità vitale. Esempi sono Murmansk (Russia), Petsamo (Russia, in precedenza in Finlandia) e Vardø. I porti che non sono liberi dal ghiaccio vengono aperti usando delle apposite navi rompighiaccio.
Letteratura
Un fittizio "ghiaccio-nove" compare nel racconto di Kurt Vonnegut intitolato Ghiaccio-nove. In realtà in chimica-fisica con la dizione ghiaccio IX (e altri numeri romani) si indica una fase solida con caratteristiche specifiche, stabile solo entro un certo campo di pressioni e temperature. A temperature e pressioni diverse la fase può esistere ancora, ma diviene metastabile, ovvero tende a trasformarsi spontaneamente nella fase stabile, tanto più rapidamente quanto più le condizioni si discostano dalla propria zona stabile. Per fare un esempio, l'acciaio si scalda fino a portarlo in fase austenitica, e poi si tempra, ovvero si raffredda rapidamente per bloccare la trasformazione e poter avere una fase metastabile (ma molto resistente e duttile) a pressione e temperatura ambiente. Il vero ghiaccio IX in particolare non ha tuttavia le proprietà dell'immaginario Ghiaccio-nove di Vonnegut, e non rimarrebbe stabile a pressione e temperatura ambiente.
Nel maggio 2007 attorno alla stella nana rossa GJ 436 è stato individuato un pianeta extrasolare formato d'acqua. Sotto la superficie gassosa di questo pianeta si presume che dovrebbe esistere del ghiaccio in forma solida in configurazioni come la VIII o la X che sulla Terra sono riproducibili solo in laboratorio.[1]
Note
- ^ Scoperto un pianeta di "ghiaccio bollente", su lescienze.espresso.repubblica.it, Le scienze. URL consultato il 17-05-2007.
Altri progetti
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