Un esperimento per spiegare l’espansione termica degli oceani

Tra le conseguenze più temute dei cambiamenti climatici c’è senza dubbio l’innalzamento del livello marino. Una parte del problema deriva ovviamente dallo scioglimento dei ghiacci continentali (cioè i ghiacciai e la calotta antartica) ma in realtà contribuisce molto anche l’espansione termica: acque più calde occupano più volume, facendo alzare il livello dei mari. Purtroppo in un laboratorio di scienze risulta difficile allestire un esperimento che permetta agli studenti di comprendere il fenomeno. Un litro di acqua aumenta il suo volume di soli 0,2 millilitri per grado centigrado e non è facile misurare una variazione così modesta, che deve inoltre tenere conto dell’espansione termica del contenitore in cui si trova. Stephen Hughes, docente di fisica alla Queensland University of Technology (Brisbane, Australia) propone invece di spiegare l’espansione termica dell’acqua nei laboratori di scienze evidenziandone gli effetti sulla galleggiabilità.

 

Grazie Archimede!

Il principio di Archimede ci insegna che «un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso del liquido spostato» ma quando l’acqua si espande a causa della temperatura, la sua densità necessariamente diminuisce: un corpo in immersione riceverà quindi una spinta minore. Una nave ai tropici, essendo circondata da acque meno dense, tenderà pertanto ad affondare di più  rispetto a un’imbarcazione identica che si trova ai poli, ma questo effetto è facilmente misurabile anche in laboratorio. L’esperimento didattico creato dal dottor Hughes, con l’assistenza del tecnico Davide Pearce, prevede infatti una semplice biglia di vetro in immersione in un becher. La biglia è sospesa nel liquido grazie a un filo da pesca che è collegato a una bilancia elettronica.

 

Esercitazione sulla fisica del riscaldamento globale

Una volta allestite le postazioni di misura, con l’aiuto di un termometro, di un taccuino e di un foglio di calcolo gli studenti (nel caso di Hughes delle matricole di fisica) possono eseguire una stimolante esercitazione. Il protocollo sperimentato dal docente, descritto su European Journal of Physics, prevede che si cominci con la biglia immersa in acqua a zero gradi, e che i ragazzi comincino ad annotare, a intervalli regolari, sia la temperatura dell’acqua, sia il peso registrato dalla bilancia. A ogni misura, vengono tolti 20 ml di acqua e immediatamente rimpiazzati con lo stesso volume di liquido a temperatura ambiente. Quando l’acqua nel becher raggiunge la temperatura ambiente, l’esperimento prosegue aggiungendo agli intervalli di misura acqua riscaldata a 40°C, fino a raggiungere nel contenitore 35 °C.

espansione termica

Schema e foto dell’esperimento (Immagine: Hughes & Pearce, European Journal of Science, 2015)

Man mano che l’esperimento procede diventa chiaro che più l’acqua si riscalda, più la biglia affonda e, quindi, pesa sulla bilancia sovrastante grazie al filo da pesca. Conoscendo il volume della biglia, i dati raccolti permettono di ricavare qual è la densità dell’acqua in ogni momento, e confrontare i valori sperimentali con quelli previsti dalle equazioni.

Hughes ha commentato: «Quello che davvero apprezzo di questo esperimento è che porta gli studenti a confrontarsi con la fisica del riscaldamento globale perché possono usare alcune delle equazioni chiave per stimare l’innalzamento del livello marino corrispondente a un aumento della temperatura media del 2%: 0,37 mm». 

Immagine in apertura: By SM14 (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

Immagine banner: Hughes & Pearce, European Journal of Science, 2015

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