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lunedì 21 maggio 2012

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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INDICE DEI CONTENUTI

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14. La trasformazione isoterma
15. La trasformazione isobara
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38. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto - Seconda versione
39. Motore di Cayley e motore di Manson: considerazioni laterali
85. Falsi motori

III. DALL'ACQUA AL VAPORE
36. L'heat pipe
40. La tensione di vapore dell'acqua
41. Gli scambi termici dell'acqua liquida
42. Gli scambi termici nella vaporizzazione dell'acqua
43. Gli scambi termici dell'acqua a pressione costante
44. Cp dell'acqua vaporizzata: considerazioni laterali
45. La densità dell'acqua
46. Densità del vapore acqueo: considerazioni laterali
47. Il ciclo isobaro-isocoro del vapore
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100. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II
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102. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV
103. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V
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105. Il Colibrì – Punti di Forza
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107. E-Cat e dintorni
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