Supercooling, o anche sopraffusione!

Supercooling è il termine inglese che in italiano si traduce sopraffusione: l’acqua rimane allo stato liquido anche sotto gli 0 ºC e poi… sorpresa! Ghiaccio istantaneo! Un fenomeno spettacolare da provare!

Tutti noi sappiamo che l’acqua è un composto di idrogeno e ossigeno e che si può trovare in diversi stati di aggregazione: solido, liquido, aeriforme.

Il passaggio di stato che ci interessa analizzare è quello da liquido a solido, ovvero la solidificazione.

Per l’acqua la temperatura di solidificazione, in condizioni standard di pressione, corrisponde a 0 °C. Ma…non è detto!

Il fenomeno della sopraffusione, che non riguarda solo l’acqua, è un fenomeno fisico che avviene quando un liquido, in seguito ad un processo di raffreddamento al di sotto della sua temperatura di solidificazione, mantiene lo stato liquido e non solidifica.

Concentriamo ora la nostra attenzione sull’acqua.

Come mai osserviamo il fenomeno dell’acqua sopraffusa?

Perché, a differenza della maggior parte delle sostanze, l’acqua è più densa allo stato liquido rispetto a quello solido, una delle tante anomalie di questo composto, così importante per la nostra vita.

Affinché l’acqua solidifichi bisogna da un lato “togliere energia” sotto forma di calore (raffreddarla), dall’altro fornire uno spunto per riuscire a rompere i legami tra le molecole allo stato liquido, consentendo l’espansione e la formazione della struttura cristallizzata del ghiaccio.

Lo spunto per avere la solidificazione può essere fornito da piccoli movimenti o dalla presenza di una minima impurità; ma se il sistema, ad esempio una bottiglia contenente acqua, non viene disturbato e se il raffreddamento avviene lentamente, all’acqua mancherà l’occasione di ghiacciarsi.

Ovviamente la condizione di acqua sopraffusa è una situazione termodinamica estremamente instabile, per cui basterà un piccolo movimento per ottenere il ghiaccio istantaneo.

In natura molte volte l’acqua si trova in questo stato termodinamico; dalla Fisica dell’atmosfera sappiamo che le gocce d’acqua in una nube di convezione, pur al di sotto del punto di congelamento, restano liquide. Alcune gocce rimangono liquide anche a temperature di – 40 °C, fenomeno raro, mentre è comune che ci siano gocce d’acqua a circa – 12 °C. Queste gocce sopraffuse resteranno nello stato di sopraffusione finché non incontreranno cristalli di ghiaccio detti nuclei di ghiacciamento  e solo allora inizieranno a solidificare.

Troviamo, inoltre, anche le gocce sottoraffreddate, gocce troppo piccole, che non riescono a solidificare a causa della loro tensione superficiale.

Come preparare il “ghiaccio istantaneo”

MATERIALE:

acqua distillata, bottiglietta di plastica da 0,5 L.

PROCEDIMENTO:

Riempi la bottiglietta con l’acqua distillata ed inseriscila in orizzontale nel freezer per 2,5 h, senza mai aprire lo sportello!

Trascorso il tempo estrai, con molta delicatezza, la bottiglietta; osservando con attenzione ti renderai conto che l’acqua è rimasta allo stato liquido.

Dai ora un colpo alla bottiglietta, sbattendo, ad esempio, il suo fondo su un tavolo.

Cosa accade? Ghiaccio istantaneo!

Accedi al link https://youtu.be/3O71zwfYhhs  e guarda il video:

ATTIVITÀ DI ESPLORAZIONE

• Ricerca e rappresenta il grafico della temperatura del sistema in funzione del tempo. Individua sull’andamento del grafico la zona di sopraffusione.
• Descrivi cosa osservi versando, delicatamente, acqua sopraffusa su un cubetto di ghiaccio appoggiato in una ciotola. Cerca di dare una spiegazione alle tue osservazioni.