Punto di rugiada, Condensazione, Evaporazione e relativi processi fisici

Sotto un punto di vista strettamente fisico, per punto di rugiada si intende un particolare stato termodinamico. Una particolare condizione fisica in cui una miscela costituita da liquido + vapore (miscela bifase) diviene satura di vapore. Tale condizione può esistere solo nel caso di miscele di più sostanze chimiche assieme.

Nei casi di sistemi monocomponenti, cioè costituiti da una sola sostanza chimica allo stato puro, il passaggio di fase liquido-gas avviene attraversando il punto di ebollizione. Il punto di ebollizione è un preciso valore nel quale un liquido passa allo stato gassoso. Si tratta quindi di una zona in cui coesistono assieme lo stato gassoso di una sostanza e lo stato liquido.

Nei sistemi multicomponente (quali ad esempio l’aria) il passaggio di fase allo stato gassoso avviene attraversando una zona bifase liquido-gas caratterizzata da due condizioni.

-una condizione è detta “punto di rugiada”.

-la seconda condizione detta “punto di bolla”.

Il punto di rugiada si trova a cavallo tra la zona di esistenza del gas (o vapore nel caso dell’atmosfera) e la zona di esistenza gas-liquido.

Il punto di bolla si colloca a cavallo tra la zona di esistenza del liquido e quella di esistenza della miscela gas-liquido.

Tali valori sono sempre rappresentati da un numero preciso che varia a seconda del variare della pressione.
In meteorologia si usa parlare di punto di rugiada (inglese dew point) la quota alla quale bisogna portare una massa d’aria (o meglio la miscela di aria e vapore), a pressione costante, per farla divenire satura di vapore d’acqua.

Tale valore può essere positivo (in caso di temperature sopra lo zero) o negativo (in caso di temperature sotto lo zero). Se il Dew Point si trova a temperatura negativa può essere definito anche “punto di brina”.

Se una massa d’aria viene portata a superare il punto di rugiada, si passerà ad una condizione in cui la massa d’aria viene detta “sovrassatura”. In una massa d’aria sovrassatura il vapore in eccesso condenserà formando le nubi se il punto di rugiada viene raggiunto in quota. La condensazione si manifesterà invece come nebbia se il punto di rugiada viene raggiunto negli strati prossimi al suolo.

La capacità della massa d’aria di contenere vapore acqueo diminuisce con il calare della temperatura. Da questo concetto è facilmente deducibile che per portare una massa d’aria a pressione costante sino al punto di rugiada, bisogna raffreddarla. Affinché tale massa d’aria diventi satura occorre che la percentuale di vapore acqueo dentro di essa raggiunga il valore massimo, cioè il 100%.  Il valore di 100% è espresso da un altro parametro chiamato umidità relativa. L’umidità relativa ci indica che è stato raggiunto il tetto massimo di vapore d’acqua che la massa d’aria presa in esame può contenere. Abbiamo quindi raggiunto il punto di saturazione della massa d’aria. Un ulteriore calo della temperatura provocherebbe la condensazione dell’umidità in eccedenza sotto forma di nebbie e nubi.

Se ciò avviene al suolo porta alla formazione di rugiada oppure di nebbia se la massa d’aria è particolarmente umida. Analogamente se il punto di rugiada è negativo, al suolo si manifesterà il fenomeno della brina. Alti valori di umidità porteranno invece alla formazione della galaverna, la quale si forma perbrinamento delle goccioline sopraffuse della nebbia su oggetti sopraelevati rispetto al terreno.

Se invece il fenomeno avviene in quota, si ha come detto, la formazione delle nubi.

Umidità assoluta – umidità relativa.

L’umidità dell’aria esprime in che modo si relaziona il vapore acqueo con gli altri gas atmosferici. In parole povere l’umidità dell’aria viene rappresentata dal vapore acqueo che in funzione della temperatura T e pressione atmosferica P si mescola ai gas della nostra atmosfera. Il volume di vapore d’acqua che può essere contenuto in una data massa d’aria è soggetto a limiti ben definiti.

Il rapporto tra la massa di vapore contenuta nell’aria all’interno del recipiente ed il volume da essa occupato prende il nome di umidità assoluta dell’aria:

Ψ = Mvap  / Va [g/m3]

Mvap =  massa di vapore contenuto nel volume d’aria  interno al cilindro
Va = volume d’aria

Il valore di umidità assoluta è un numero ben preciso e cambia al variare della temperatura. Più decresce la temperatura dell’aria e più il valore di umidità assoluta decresce con esso. Questo significa che una massa d’aria calda ha più capacità di contenere vapore acqueo rispetto ad una analoga massa d’aria fredda, a parità di volume.

Il motivo di questo comportamento è da ricercarsi nelle caratteristiche “microfisiche” degli atomi e le molecole che costituiscono la nostra atmosfera. Una temperatura più calda significa essenzialmente che il moto delle nostre particelle è più turbolento ed irrequieto. Possiamo immaginare gli atomi della miscela di gas surriscaldato che sbattono da una parte e dall’altra urtandosi a vicenda con molto vigore.

Una diminuzione della temperatura corrisponde a dei movimenti più lenti e meno energetici degli atomi che costituiscono l’atmosfera. Avendo le particelle atomiche dei movimenti più leggeri, il gas  tenderà ad occupare meno volume, essendo minore la quantità di energia cinetica delle singole particelle.

Diminuendo gli spazi intermolecolari tra una particella e l’altra, diminuisce conseguentemente la capacità che le molecole di acqua si infiltrino all’interno della miscela gassosa.

Per contro, movimenti molecolari ed atomici più esasperati, corrispondenti a temperature maggiori, creano “maggiore spazio” tra una particella e l’altra, consentendo a maggiori molecole di vapore di infiltrarsi all’interno della miscela.

Questo concetto spiega anche perche l’aria fredda risulta più densa e più pesante rispetto all’aria calda. Essendo che in una massa d’aria fredda le particelle atomiche risultano in uno stato più vicino alla quiete (idealmente si avvicinano allo stato liquido) diminuiscono notevolmente gli spazi intermolecolari tra l’una e l’altra particella. Ne consegue una densità di massa d’aria maggiore rispetto all’aria calda. Questo ragionamento è espandibile anche al concetto di “volume”.

Una massa di aria calda occupa maggiore spazio rispetto ad una massa di aria più fredda. La massa rimane la stessa, ma cambia il volume occupato, maggiore per l’aria calda in virtù della maggiore oscillazione molecolare.

Il valore di umidità assoluta mal si presta a comprendere quale sia l’effettiva vicinanza o lontananza della massa d’aria alla saturazione. Esso esprime soltanto la massima quantità di vapore che può essere contenuto in un chilogrammo d’aria a pressione e temperatura costanti.

In questa tabella sono indicati alcuni valori in grammi del tetto massimo di vapore acqueo che può essere contenuto in 1 chilogrammo di aria al suolo, al variare della temperatura. Sono valori riferiti alla pressione media di 1013 millibar. (mb)

°C        -10     0      10       20       30       40
g/Kg    1,7    3,6    7,2    13,6    25,0    45,0

L’umidità relativa è invece il parametro che si presta maggiormente ad esprimere un rapporto diretto, espresso in punti percentuali, dell’effettiva vicinanza della massa d’aria al suo punto di saturazione. Non fornisce quindi alcuna informazione riguardo il contenuto effettivo, misurabile di umidità dentro una massa d’aria. Quello che noi percepiamo “fisicamente”, come benessere o malessere fisico è appunto la vicinanza o la lontananza della massa d’aria al punto di saturazione, in relazione alla temperatura.

Facendo un paio di esempi in base alla tabella riportata in precedenza:

Per essere alla saturazione, un chilogrammo di aria a 20°C contiene 13.6 grammi di vapore acqueo al suo interno. Significa che la massa d’aria presa in esame si trova esattamente al suo punto di rugiada. Il suo valore di umidità relativa (Ur) è pari al 100%!

Immaginando di poter raffreddare questa massa d’aria anche di un solo grado rispetto a questo valore, si andrebbe in sovrassaturazione con condensazione del vapore e formazione di nubi o nebbie.

Un secondo esempio, più vicino alla realtà potrebbe essere questo:

Un chilogrammo d’aria a 10°C contiene solo 4.8 g di vapore. La sua umidità relativa è data da questo rapporto:

Ur= [4,8 (Ha) : 7,2 (Hs)] x 100 = 66%

Dove per Ur si intende l’umidità relativa, Hs l’umidità di saturazione, Ha l’umidità assoluta.

Il valore percentuale di 66 corrisponde al valore di umidità relativa presente a pressione costante nella massa d’aria in questo esempio. Questo numero è dato dalla relazione esistente tra l’umidità assoluta e l’umidità relativa.

Se ne può dedurre che, a differenza dell’umidità assoluta, l’umidità relativa ci da un idea chiara dello stato fisiologico di benessere o malessere dati dalle condizioni climatiche in una data area. Essa stabilisce il concetto di caldo afoso o caldo torrido. Oppure di freddo umido o freddo secco.

Questo è il motivo per cui durante la stagione estiva valori elevati di temperatura associati a tassi altrettanto elevati di umidità relativa corrispondono condizioni generali afose, con sensazione di disagio e malessere fisico.

– si parla di caldo afoso quando al caldo si associano alti tassi di umidità relativa.

– si parla di caldo torrido quando al caldo si associano bassi tassi di umidità relativa.

Analogamente per il freddo, si usa parlare di:

– Freddo umido il freddo accompagnato da alti livelli di umidità relativa.

– Freddo secco il freddo accompagnato da bassi livelli di umidità relativa.

Esistono alcune tabelle che mostrano con maggiore chiarezza la relazione esistente tra benessere fisico, temperatura ed umidità relativa, in che modo questi tre elementi si relazionano tra di loro. Nelle più diverse forme concorrono a dare al nostro tempo atmosferico le sembianze di un clima gradevole, piuttosto che afoso. Attraversando varie fasi, si passa da condizioni di normalità, sino alle ipotesi più estreme nella parte in alto a destra della tabella. Sulla verticale abbiamo l’umidità, sull’orizzontale la temperatura.