Il ciclo dell’acqua

Con questo semplice esperimento si ricreano, all’interno di un contenitore in plastica o in vetro, le fasi fondamentali del ciclo dell’acqua: evaporazione, condensazione, precipitazione. Questi passaggi vengono dapprima riconosciuti come fenomeni fisici (passaggi di stato dell’acqua) e successivamente collegati a quanto avviene in natura nel ciclo dell’acqua. 

Scheda sintetica delle attività 

• Gli alunni vengono suddivisi in gruppi da 4/5 persone e lavorano in autonomia sotto la guida dell’insegnante. 
• Ogni gruppo allestisce l’esperienza in modo da costruire, utilizzando materiale di recupero, un modellino che permette di ricreare le fasi del ciclo dell’acqua. 
• L’acqua posta sul fondo della bottiglia, riscaldata da una fonte di calore, dopo circa un’ora, evapora; successivamente viene a contatto con le pareti di un recipiente che contiene ghiaccio e condensa.  Si formano delle goccioline d’acqua che diventano via via più grosse fino a cadere nuovamente sul fondo della bottiglia, attratte dalla forza di gravità. 
• Dall’osservazione del fenomeno si riconoscono i passaggi di stato dell’acqua e si collegano a quanto avviene in natura durante il ciclo dell’acqua. 
• Segue una discussione finale di classe per verificare quanto appreso dagli studenti. 

Risorse

• Bottiglia vuota in plastica del latte (meglio se da 1,5 l)
• Bicchiere in plastica
• Ghiaccio
• Acqua a temperatura ambiente o tiepida
• Fonte di calore (torcia non a led, o lampadina a incandescenza o alogena)
• Termometro. 

Allegati

• Allegato 1: Scheda esperimento con domande stimolo
• Allegato 2: Scheda di verifica

Prerequisiti

Nessuno 

Obiettivi di apprendimento 

• Conoscere i passaggi di stato dell’acqua
• Capire che il ciclo dell’acqua è reso possibile dall’energia solare, che la fa evaporare e dalla forza di gravità, che la porta al suolo
• Collegare i passaggi di stato che avvengono nella “bottiglia” alle fasi del ciclo dell’acqua che avvengono in natura

Dotazioni di sicurezza 

Nessuna 

Svolgimento 

Premessa 

È bene tenere presente che il fenomeno fisico si osserva dopo 1 ora circa dall’allestimento del modellino, si consiglia di  far partire l‘esperimento una o due ore prima di quando si intende effettuare l’osservazione con i ragazzi  e lasciarlo in classe. Il tempo impiegato per l’allestimento è di circa 15 minuti. 
Se come fonte di calore si utilizza una torcia, assicurarsi che non sia a LED, in modo che avvenga l’evaporazione dell’acqua. 

Realizzazione 

1. Tagliare il collo della bottiglia. 
2. Inserire nel foro così ottenuto un bicchiere in plastica e riempirlo con i cubetti di ghiaccio.  
3. Riempire il fondo della bottiglia con acqua tiepida o a temperatura ambiente. 
4. Accendere la torcia e puntarla contro la bottiglia (figura1).  
5. Inserire il termometro all’interno del bicchiere con il ghiaccio.  
6. Aspettare fino a che non si formino delle goccioline sotto al bicchiere, contenente il ghiaccio; per questo passaggio ci vorrà almeno un’ora (figura 2). 

Come mostrato in figura 2, la pila scalda l’acqua che, sotto forma di vapore, sale all’interno della bottiglia. Il vapore a contatto con la superficie del bicchiere, contenente ghiaccio, condensa, formando piccole gocce di acqua (nuvole).  Quando le goccioline si aggregano e diventano abbastanza grandi e pesanti, si staccano dal bicchiere sotto l’azione della forza di gravità. 

Il fenomeno è analogo a quanto succede nelle nubi: finché le goccioline di vapore sono molto piccole rimangono sospese, sostenute dalle correnti d’aria calde ascensionali. Quando diventano abbastanza grandi la forza peso è maggiore delle forze di attrito con l’aria e quindi cadono al suolo. Questo aspetto può essere uno spunto per parlare di forze di attrito e di equilibrio delle forze. 
La temperatura del ghiaccio è rimasta a 0° C per tutto l’esperimento fino a che è presente del ghiaccio nel bicchiere. 

Considerare la possibilità di analizzare il diagramma di stato dell’acqua. Può essere un ottimo spunto per discutere di passaggi di stato nell’ambito della chimica e della fisica. 

I ragazzi osservano quanto accade e rispondono alle seguenti domande (allegato 1): 

1. Cosa si forma sotto alle pareti del bicchiere? Da dove provengono secondo te? 
2. Perché dopo un po’ ricadono sul fondo della bottiglia? Da quali forze sono attratte? 
3. La torcia, secondo te, cosa rappresenta in natura? 
4. L’acqua presente sul fondo della bottiglia cosa rappresenta in natura? 
5. Qual è la temperatura del ghiaccio all’inizio dell’esperimento? Dopo 1 ora? Dopo 2 ore? 
6. Quando il ghiaccio si fonde, galleggia sull’acqua. Perché? 

Cosa cambia se… 
Per favorire il confronto e la discussione tra i gruppi, si può pensare di assegnare a gruppi diversi una variazione dell’esperimento da analizzare. Ecco alcune possibili variazioni da esplorare: 

• Cosa cambia se utilizziamo acqua calda invece di acqua tiepida o a temperatura ambiente? 
• Cosa cambia se usiamo una lampada a led? Perché? 
• Cosa cambia se utilizziamo una fonte di calore diversa, come lo scaldino al posto della torcia? 
• Cosa cambia se utilizziamo un contenitore scuro invece di uno chiaro? 
• Cosa cambia se utilizziamo poca acqua invece di molta acqua? 
• Cosa cambia se sostituiamo i cubetti di ghiaccio con acqua fredda o con un altro materiale raffreddante? 

Ogni gruppo osserverà come queste variabili influenzano il fenomeno e discuterà i risultati con il resto della classe. Si allega una possibile scheda di verifica (allegato 2).

Note e storia 

L’evaporazione avviene ovunque ma è particolarmente consistente nella superficie di contatto tra le acque marine e l’atmosfera. Grazie all’evaporazione l’acqua passa dai mari all’atmosfera dove rimane per periodi di tempo variabili. Infine, il vapore acqueo va incontro al processo di condensazione e passa nuovamente allo stato liquido. In forma liquida o solida l’acqua torna sui continenti. 

Le diverse fasi del ciclo dell’acqua coinvolgono i processi di: 

• evaporazione: passaggio dallo stato liquido (acqua) allo stato di vapore.  
• condensazione: passaggio dallo stato di vapore a liquido (acqua).  
• sublimazione: passaggio dallo stato solido (ghiaccio, neve) a vapore.  
• brinamento: passaggio diretto dallo stato di vapore allo stato solido. 
• fusione: passaggio dallo stato da solido (ghiaccio, neve) a liquido (acqua). 

Esaminiamo ora le fasi del ciclo dell’acqua in modo più dettagliato. 

L’acqua che evapora dalle superfici liquide del pianeta passa nell’atmosfera sotto forma di vapore acqueo. La quantità di vapore acqueo che può essere contenuta in un volume d’aria non è illimitata, ma raggiunge un valore massimo che dipende dalla temperatura. Quando l’aria contiene la massima quantità possibile di vapore acqueo si dice che è satura. La temperatura alla quale una massa d’aria diviene satura è definita punto di rugiada. Un volume di aria fredda si satura con una quantità di vapore acqueo minore di quella necessaria per saturare un uguale volume di aria calda. 

La quantità di vapore acqueo contenuta in un determinato volume d’aria è definita umidità assoluta ed è generalmente espressa in g\m³. Per i meteorologi l’umidità assoluta non è molto significativa, piuttosto è utile conoscere l’umidità relativa, definita come il rapporto percentuale tra l’umidità assoluta e la massima quantità di vapore acqueo che potrebbe essere contenuta nella massa d’aria alla medesima temperatura. Un’umidità relativa del 50%, ad esempio, sta a indicare che la quantità di vapore acqueo presente nell’aria è la metà di quella massima possibile. 

La condensazione del vapore acqueo avviene quando la temperatura di una massa d’aria scende al di sotto del punto di rugiada. Quando ciò si verifica è presente nella massa d’aria vapore acqueo in eccesso rispetto alla quantità massima che può essere contenuta a quella temperatura. La quantità di vapore in più condensa sotto forma di acqua liquida. Le manifestazioni visibili della condensazione sono la nebbia e le nuvole. Le goccioline di nebbia e le nuvole si formano intorno a microscopici granuli che offrono una superficie su cui l’acqua può condensare detti nuclei di condensazione. 

Le nuvole sono formate da goccioline molto piccole di acqua o, se la temperatura è bassa, da minuscoli cristalli di ghiaccio. Finché le goccioline hanno dimensioni piccole riescono a rimanere in sospensione. Se altra acqua condensa e si aggiunge alle goccioline di nubi, le dimensioni delle goccioline aumentano, superano le dimensioni che consentono loro di rimanere in sospensione nell’atmosfera e si hanno le precipitazioni, pioggia, neve o grandine. La pioggia è acqua allo stato liquido, la neve e la grandine sono acqua allo stato solido.  

La brina, infine, è un fenomeno naturale, è la formazione di uno strato di ghiaccio sopra le foglie e sopra l’erba.  Nelle notti serene d’inverno, se la temperatura del suolo è inferiore agli 0°C, gli strati d’aria a suo diretto contatto si raffreddano rapidamente e il vapore acqueo presente nell’aria si deposita al suolo sotto forma di cristalli di ghiaccio chiamati brina. E’ temuta dagli agricoltori. 

Altri possibili collegamenti: Se si è fatto l’esperimento Il percorso dell’acqua si può spiegare cosa sono e come si formano le falde acquifere. 

Bibliografia 

• Un solo Pianeta. Scienze per un mondo sostenibile – vol B, Bertini, Danise, Franchini – Mursia scuola.
• La Terra, un’introduzione allo studio del pianeta, Fantini, Menotta, Monesi, Piazzini – Italo Boloventa Editore. 

Autori 

Simona Meschiari, Scuola secondaria di I grado “F. Montanari”, Mirandola (MO) 

Hanno contribuito all’ottimizzazione dell’esperimento:
Giovanna Bergamini, Scuola Secondaria di I grado “F. Montanari”, Mirandola (MO) 
Simona De Persiis, I.C. “I. Ridolfi”, Tuscania (VT)
Silvia Orsi, I.C. “N. Tommaseo”, Torino