UNDERSTANDING LATENT HEAT
Una completa comprensione del calore latente aumenterà notevolmente le vostre capacità di analisi e previsione. Il calore latente non è niente di magico, ma può essere molto confuso da capire. Le molecole d’acqua possono muoversi in tre modi. Possono muoversi per vibrazione, rotazione e traslazione. Il ghiaccio non è molto libero di muoversi. Il ghiaccio può vibrare ma rimane rigido. L’acqua liquida si muove liberamente, ma poiché le molecole sono ancora molto vicine, non si muovono liberamente come l’aria.
L’acqua solida (ghiaccio) è lo stato più ordinato di H20 mentre il gas è il meno ordinato. Affinché il ghiaccio passi da uno stato di ghiaccio a uno stato liquido, è necessario aggiungere energia per far sì che il ghiaccio passi da uno stato superiore a uno stato meno ordinato. Quando il ghiaccio si scioglie o l’acqua evapora, l’energia deve essere presa dall’ambiente per far sì che il ghiaccio o il liquido passino a uno stato meno ordinato. L’energia è necessaria per indebolire i singoli legami idrogeno tra le molecole di H20. Quando l’acqua (in una qualsiasi delle tre frasi) si sposta da uno stato ordinato superiore a uno inferiore, all’aria che circonda l’H20 viene sottratto del calore. I tre processi che sottraggono calore all’aria circostante sono l’evaporazione, la fusione e la sublimazione (da solido a gas). Quando l’acqua (in una qualsiasi delle tre frasi) passa da uno stato ordinato inferiore a uno superiore, l’aria che circonda l’H20 avrà energia aggiunta ad essa. Questo si chiama rilascio di calore latente (ad esempio, quando si sottrae calore all’acqua liquida, le singole molecole d’acqua rallenteranno. Alla fine rallentano fino al punto in cui i legami idrogeno non permettono più al liquido di ruotare. A questo punto si sviluppa il ghiaccio. L’energia che le molecole d’acqua avevano una volta per ruotare è stata ceduta all’aria circostante). I tre processi che aggiungono calore all’aria circostante sono la condensazione, il congelamento e la deposizione (da gas a solido).
IMPORTANTE: i processi di evaporazione e condensazione richiedono 7,5 volte più energia della fusione o del congelamento. Ecco perché il raffreddamento per evaporazione raffredderà l’aria molto più dello scioglimento della neve. Per esempio, diciamo che la neve sta cadendo e la temperatura esterna è di 40 gradi Fahrenheit. Mentre la neve cade nell’aria più calda, comincerà a sciogliersi e una parte di essa evaporerà. L’evaporazione dalla neve bagnata raffredderà l’aria 7,5 volte tanto quanto lo scioglimento della neve. Se la temperatura scende da 40 a 32 gradi mentre la neve cade, circa 7 di quegli 8 gradi di raffreddamento sono causati dal processo di evaporazione. Anche lo scioglimento raffredda l’aria, ma non tanto quanto l’evaporazione. Quando l’acqua subisce un cambiamento di fase (un cambiamento da solido, liquido o gas ad un’altra fase) la temperatura dell’H20 rimane alla stessa temperatura. Perché? L’energia viene usata per indebolire i legami a idrogeno tra le molecole di H20 o l’energia viene sottratta all’H20, il che rafforza i legami a idrogeno. Quando il ghiaccio si scioglie, l’energia viene presa dall’ambiente e assorbita nel ghiaccio per allentare i legami a idrogeno. L’energia presa per allentare i legami a idrogeno causa il raffreddamento dell’aria circostante (l’energia viene presa dall’ambiente: questo è l’assorbimento di calore latente). La temperatura del ghiaccio che si scioglie rimane comunque la stessa fino a quando tutto il ghiaccio non è sciolto. Tutti i legami idrogeno devono essere rotti dallo stato solido prima che l’energia possa essere usata per aumentare la temperatura dell’H20.
L’energia scorre sempre da un oggetto più caldo verso un oggetto più freddo. Un cubetto di ghiaccio a 32 gradi F assorbe energia dall’aria che ha una temperatura più calda del congelamento. L’energia fluisce dalla stanza verso il cubetto di ghiaccio. Getta abbastanza cubetti di ghiaccio nella tua cucina e potresti notare che la temperatura dell’aria si raffredda leggermente. L’energia viene presa dalla tua stanza più calda e spostata nei cubetti di ghiaccio per scioglierli; una sottrazione di energia causa il raffreddamento. Lo stesso vale quando si paragona il congelamento alla condensazione. Il processo di condensazione riscalderà l’aria circostante 7,5 volte di più di quando si verifica il processo di congelamento. Quando si sviluppa un temporale, il rilascio di calore latente per condensazione è 7,5 volte superiore al rilascio di calore latente per congelamento. Ora facciamo qualche applicazione di questo processo di calore latente per quanto riguarda le previsioni.
1. Il raffreddamento per evaporazione della pioggia (in assenza di correnti ascensionali) farà diminuire la temperatura ma aumentare il punto di rugiada. Il punto di rugiada aumenterà sempre (nella gamma di temperature normalmente osservate) più di quanto la temperatura scende (ad esempio, supponiamo che la temperatura sia di 70 F con un punto di rugiada di 50 F, dopo una pioggia persistente la temperatura si raffredderà a circa 63 e il punto di rugiada salirà a circa 63).
2. Le temperature hanno una difficoltà a riscaldarsi significativamente nei giorni in cui c’è una copertura nevosa superficiale. Lo scioglimento e l’evaporazione della neve raffreddano continuamente l’aria.
3. La condensazione rilascia calore latente. Questo fa sì che la temperatura di una nuvola sia più calda di quanto sarebbe stata se non avesse rilasciato calore latente. Ogni volta che una nuvola è più calda dell’aria ambientale circostante, continuerà a salire e a svilupparsi. Più umidità contiene una nuvola, più potenziale ha di rilasciare calore latente.
4. La quantità di raffreddamento sperimentata durante la fusione o l’evaporazione è una funzione della depressione del punto di rugiada. Se l’aria è satura, l’evaporazione sarà ridotta al minimo. Il raffreddamento per evaporazione non può avvenire una volta che la rugiada si forma sul terreno, ma può iniziare ad avvenire quando il sole comincia a riscaldare la superficie (la depressione del punto di rugiada diventa maggiore di 0).
5. I climi secchi tendono ad avere un’escursione termica diurna maggiore rispetto ai climi umidi. La ragione principale è a causa del calore latente. In un clima secco, il raffreddamento per evaporazione è al minimo e c’è poco vapore acqueo per intrappolare la radiazione a onda lunga durante la notte. Pertanto, in un clima secco le massime saranno più alte e le minime più basse rispetto a un clima umido alla stessa altitudine e latitudine (a parità di condizioni).