Termodinamica
Apparecchio di Hope
SCHEDA TECNICA
INVENTARISTATO
Apparecchio di Hope per il massimo di densitá dell'acqua
Apparecchio di Hope per il massimo di densitá dell'acqua
1818Nº //
1838Nº //
P.A.Nº //
1870622
1925a363
Completo
Integro
Funzionamento NV
Dimensioni
MATERIALI: ottone, mercurio, vetro, mastice
BIBLIOGRAFIA & PRESTITI
DATABASE
Datazione: 1893
Nel Museo A. M. Traversi - Vetrina D
Descrizione          Funzionamento: spiegazione - verifica          Testi&Curiosità


Immagine, Malfi, © D 2008
Fonti
Battelli A. - Cardani C. (1924) Vol. 3, pag. 53, fig. 42
Clerc A. (1885) pag. 375, fig. 42
Drion Ch. - Fernet E. (1877) pag. 194, fig. 42
Ganot A. (1883) pag. 229, fig. 42
Giordano G. (1862) Vol. 1, pag. 300, fig. 42
Matteucci C. (1847) pag. 388, fig. 42
Milani G. (1869) Vol. 4, pag. 57, fig. 42
Murani O. (1906) Vol. 1, pag. 537, fig. 42
Perucca E. (1937) Vol. 1, pag. 571, fig. 42
Privat Deschanel A. - Pichot (1871) pag. 242, fig. 42
 

A causa dei particolari legami di tipo debole che si instaurano tra le sue molecole, l'acqua è un liquido con delle caratteristiche alquanto speciali. Una di queste è il fatto che l'acqua presenta un massimo di densità non in corrispondenza del punto di congelamento a pressione ordinaria (cioè 0 ºC a 1 atmosfera), ma in corrispondenza dei 4 ºC. In queste condizioni l'acqua ha una densità di 1 kg/dm3, mentre per temperature differenti essa è meno densa (si veda la tabella qui a lato). Questo strumento, inventato dal fisico scozzese Hope, serve a mettere in evidenza il cosiddetto maximum di densità dell'acqua.


L'apparato è formato da un tubo di vetro a sezione circolare chiuso in corrispondenza dell'estremità inferiore (che presenta anche una base d'appoggio). Poco sopra la base d'appoggio è presente un foro entro cui viene collocato, utilizzando un tappo per garantire le tenuta, un termomentro a mercurio. L'intervallo di temperatura coperto da tale termomentro è assai limitato, andando dai + 20 ºC ai -5 ºC.

In corrispondenza della metà del tubo di vetro è presente una camicia circolare d'ottone di fissaggio per una vasca sempre in ottone dalla pianta a corona circolare che avvolge il tubo per circa 5 centimetri in altezza. Infine, nella parte alta del tubo di vetro è presente un coperchio di chiusura in ottone che presenta un imbuto dalla forma tronco conica dotato di tappo a vite con fissato un termomentro il cui bulbo scende fino in corrispondenza della vasca d'ottone. L'intervallo coperto da questo termomentro va dai + 30 ºC ai -10 ºC.

Per verificare sperimentalemente che l'acqua è più densa a 4 ºC, l'esperimento avveniva in due tappe successive. Per prima cosa si riempiva l'apparato con acqua a 0 ºC. Bastava prelevare la sola acqua da un recipiente con acqua mista a ghiaccio quando il ghiaccio faceva assai fatica a sciogliersi. Nella vasca esterna si versava invece acqua alla temperatura di 15 - 20 ºC. Ora, a seguito della differenza di temperatura, l'acqua più calda cedeva calore a quella più fredda, che diminuiva di densità (si tenga presente infatti che in questo caso si è nell'intervallo di temperatura da 0 ºC a 4 ºC). L'acqua più densa scendeva quindi verso il basso, facendo salire l'acqua degli strati più profondi favorendo anche con essi lo scampio termico. Di fatto si instauravano per metà del tubo dei moti convettivi che raffreddavano l'acqua entro di esso. Il termomentro inferiore raggiungeva la temperatura di 4 ºC e qui si arrestava, in quanto non potevano più essere coinvolti nei moti convettivi gli strati d'acqua alla massima densità, mentre il termomentro superiore restava ancora presso gli 0 ºC.

Densità dell'H2O in funzione di T
T [ºC][kg/dm3]T [ºC][kg/dm3]
00,9998250,9971
20,9999500,9880
41,0000750,9747
100,9997950,9617

Dopodiché si versava acqua a circa 15 ºC nel tubo di vetro e nella vasca l'acqua mista a ghiaccio (che quindi era alla temperatura di 0 ºC). L'acqua entro il tubo e a contatto con la camicia d'ottone si raffreddava, divenedo più densa. Essa quindi scendeva spingendo in alto l'acqua degli strati più profondi. Anche in questo caso si innescavano dei moti convettivi che portavano il termomentro inferiore a segnare la temperatura di 4 ºC e a non mutarla per un tempo piuttosto lungo (ore). Il termomentro superiore invece si portava fino agli 0 ºC, se si aveva cura di aggiungere in continuazione del ghiaccio all'acqua entro la vasca d'ottone.

Le due prove sperimentali dimostravano che l'acqua a 4 ºC è più densa che non a 0 ºC o a 15 ºC, visto che essa si trova sempre ad occupare, dopo un opportuno scambio termico, la parte inferiore del tubo di vetro.