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3° GIORNO
Modello particellare
Il modello particellare fin qui elaborato prevede solo la pesenza di particelle
libere nello spazio vuoto.
Esso spiega diverse proprietà dell'aria:
1. che l'aria occupa sempre tutto il volume a disposizione, anche quando questo è
molto grande.
2. che l'aria può essere forzata ad occupare un volume molto piccolo.
3. che l'aria oppone poca resistenza al movimento e che le sue parti si possono
rimescolare e muovere le une nelle altre senza difficoltà.
Il modello continuo, in cui l'aria è semplicemente un gas senza particelle, un
fluido continuo, cioè senza vuoti, molto elastico e leggero, difficilmente può
spiegare tutte queste proprietà, specialmente la terza.
Compressione dell’aria
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interpretazione
microscopica
Ipotesi sulle cause della resistenza alla
compressione dell’aria
DIFFUSIONE DELL’AMMONIACA IN ARIA
Il palloncino viene posto nella
beuta, dalla quale si aspira l’aria.
Cosa accade al palloncino?
I N T E R P RET A Z I O N E P A R T I C E L L A R E
Clicca sullo sfondo per le altre
simulazioni
La sublimazione e il modello particellare
La sublimazione è un fenomeno analogo all'evaporazione,
anche se è evidente solo per alcuni solidi con scarse forze
di coesione tra le particelle. La velocità netta di
sublimazione è più rapida in assenza d'aria, anche se la
quantità di solido che riesce a sublimare in un recipiente
chiuso dipende solo dalla temperatura e dal volume e non
dalla presenza o meno dell'aria. La stessa considerazione
vale anche per l'evaporazione. La pressione raggiunta dai
vapori provenienti da un solido o da un liquido in un
recipiente chiuso dipende solo dalla temperatura e non
dalla presenza di altri gas. L'aria rallenta il passaggio allo
stato gassoso perché ostacola la diffusione, così che i
vapori prodotti saturano subito la regione vicina alla
superficie della fase condensata, fungendo da involucro
protettivo.
Sia per la sublimazione che per l'evaporazione, se i vapori
non vengono allontanati si raggiunge presto la saturazione,
situazione in cui il passaggio delle particelle dal vapore
alla fase condensata avviene con la stessa probabilità del
passaggio inverso.
Diffusione del permanganato in acqua
Per poter diffondere nel liquido, le particelle del
permanganato di potassio devono prima distaccarsi dal
solido. Questo processo è diverso dalla sublimazione,
come si può evidenziare constatando che tale sostanza,
lasciata all'aria, non ha alcuna tendenza a diminuire di
peso. Se le particelle del permanganato si distaccano ciò
dev'essere dovuto all'interazione con le particelle
dell'acqua.
Una volta che le particelle di permanganato si sono
disperse tra quelle dell'acqua, diffondono più
rapidamente a temperatura più alta. Infatti a temperatura
più alta si ha maggiore agitazione termica.
Il fenomeno dell'evaporazione alla luce del modello particellare
Dalla "giornata" precedente gli allievi hanno imparato che le particelle dell'aria sono in continuo
movimento, cosa non difficile da accettare se si considera la mobilità e la facilità di diffusione dei
gas. Il moto delle particelle dei liquidi e dei solidi è ben più difficile da assimilare, data la loro
apparente staticità, in una fase in cui è già difficile digerire la natura discontinua della materia. È
possibile giungere a un conflitto cognitivo con cui tentare, almeno, di destabilizzare le concezioni
spontanee. Si chieda agli allievi di scegliere tra le seguenti spiegazioni microscopiche alternative
dell'evaporazione (o della sublimazione).
1. Modello statico: le particelle si distaccano dalla superficie perché sollecitate dagli urti delle
molecole dell'aria, anche se trattenute dalle forze di coesione;
2. Modello dinamico: le particelle si distaccano dalla superficie perché sono dotate di
un'agitazione termica caotica, che fa sì che alcune vincano le forze di attrazione, ma sono
ostacolate dalle particelle dell'aria che urtano la superficie.
La maggior parte degli allievi opterà per il modello statico. A questo punto si può proporre
l'esperimento seguente. Si confronta la diminuzione di peso di un recipiente contenente alcol,
posto in una beuta da cui si aspira l'aria, con la diminuzione di peso di un identico recipiente
lasciato nella beuta con aria a pressione normale, durante lo stesso tempo. Se i due recipienti si
facevano equilibrio in una bilancia a due piatti, quello rimasto in assenza d'aria risulterà più
leggero dopo l'evaporazione.
Un analogo esperimento, ma con una bilancia sensibile almeno al milligrammo, può essere
effettuato per la sublimazione dell'antitarme a base di para-diclorobenzene. Eliminando l'aria si
ha un incremento del fenomeno dell'evaporazione o della sublimazione; quindi il fenomeno non è
provocato dall'aria, ma deve essere una tendenza spontanea del liquido che evapora o del solido
che sublima. La tendenza delle particelle a lasciare il liquido - a causa della loro agitazione
termica - può essere correlata all'ebollizione, che richiede un innalzamento di temperatura e,
quindi, di agitazione termica. Che il maggior grado di agitazione delle particelle del liquido è
necessario a vincere la pressione esterna dell'aria, può essere evidenziato con un altro semplice
esperimento: si aspirano 1-2 mL di alcol con una siringa, della quale si chiude poi l'ago
infilandolo in una gomma, evitando l'entrata di aria. Se si solleva il pistone rapidamente, si
constata l'ebollizione dell'alcol per qualche secondo: in assenza di aria le particelle dell'alcol si
trasferiscono in massa nello spazio vuoto, come gas, e questa può essere considerata una prova
del loro moto a temperatura ambiente. L'ebollizione non va considerata conseguenza
dell'aspirazione, come ci inducono a fare le nostre concezioni spontanee. La forza occorrente per
la trazione del pistone va imputata alla resistenza della pressione dell'aria esterna. Se la siringa
chiusa e contenente l'alcol viene posta nella beuta da vuoto, aspirando l'aria dalla stessa beuta si
trova che il pistone si solleva da solo per lasciare spazio alle particelle che, nuovamente,
evaporano spontaneamente. Il non essere consapevoli della presenza pervasiva dell'aria è alla
base di tutte le nostre concezioni intuitive errate sui fenomeni che coinvolgono la pressione e gli
aeriformi. Il raffreddamento che accompagna il fenomeno dell'evaporazione è anch'esso
facilmente osservabile e può essere associato al prelievo energetico occorrente per vincere le
forze di coesione che tengono unite le particelle.