La densità dell'acqua

La densità è una grandezza fisica fra le più conosciute ed è definita come il rapporto fra la massa di una sostanza e il volume da essa occupato

ρ = m / V

dove

ρ è la densità espressa in kg/m3
m è la massa espressa in kg
V è il volume espresso in m3

Meno comune, e usato solo in particolari settori, è il volume specifico (Vsp), che è definibile come l'inverso della densità

Vsp = 1 / ρ = V / m

Nelle tre immagini che seguono sono stati graficati i valori della densità dell'acqua in funzione della temperatura.




Nei tre diagrammi, l'acqua è in fase liquida nella parte sinistra del grafico, in fase vapore nella parte destra del grafico. La linea verticale nera indica la temperatura a cui avviene la transizione di fase.
Si noti la notevole variazione del valore della densità in concomitanza della transizione di fase liquido-vapore.
Parlando di volume specifico, passando dalla fase liquida alla fase vapore avviene un sensibile incremento di volume: a parità di massa, il vapore occupa un volume molto maggiore rispetto al liquido.

La grande diversità fra i valori della densità nelle due fasi comprime sull'asse delle ascisse (l'asse orizzontale) i valori della densità del vapore.
Per permettere di visualizzarne l'andamento è necessario cambiare la scale sulle ordinate (cioè della densità) e di seguito sono presentati i tre grafici relativi.




I grafici mostrano che la densità del vapore diminuisce all'aumentare della temperatura e la discesa è più rapida in prossimità della transizione di fase.
Confrontando le scale dei tre diagrammi si osserva che la densità dipende in modo approssimativamente lineare dalla pressione. A parità di temperatura, passando da 0,1MPa a 1MPa pressione e densità aumentano entrambe di 10 volte e lo stesso accade passando da 1MPa a 10MPa.

Un'ultima analisi estremamente interessante è quello proposta nell'immagine che segue.


Il grafico confronta l'andamento in temperatura della densità dell'acqua in fase liquida alle tre pressioni di riferimento 0,1MPa - 1MPa - 10MPa.
Rispetto al caso del vapore in cui densità e pressione risultano vincolate in modo approssimativamente lineare, nel caso della fase liquida non si osserva una variazione significativa (per lo meno alle temperature considerate).
Quanto sopra significa che nell'intervallo da 0°C a 311°C il liquido può essere ragionevolmente considerato incomprimibile.

La dipendenza della densità della fase liquida rispetto alla pressione e alla temperatura è un argomento che verrà ripreso dettagliatamente a tempo debito per spiegare il funzionamento del motore di Stirling a liquido di John Fox Jennens Malone.

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