Umidità relativa

Quanta umidità può “trattenere” l’aria?

Di tutte le affermazioni sull’umidità relativa che ho sentito nella conversazione quotidiana, quella sopra è probabilmente la più comune. Può rappresentare la comprensione del fenomeno, e ha qualche utilità di buon senso, ma può rappresentare un completo fraintendimento di ciò che sta accadendo fisicamente. L’aria non “trattiene” il vapore acqueo nel senso di avere qualche forza attrattiva o influenza catturante. Le molecole d’acqua sono in realtà più leggere e più veloci delle molecole di azoto e ossigeno che compongono la maggior parte dell’aria, e certamente non si attaccano ad esse e non sono in alcun senso trattenute da esse. Se si esamina l’energia termica delle molecole nell’aria ad una temperatura ambiente di 20°C, si scopre che la velocità media di una molecola d’acqua nell’aria è di oltre 600 m/s o oltre 1400 miglia/ora! Non riuscirai a “trattenere” quella molecola!

Un’altra prospettiva forse utile sarebbe quella di considerare lo spazio tra le molecole d’aria in condizioni atmosferiche normali. Dalla conoscenza delle masse atomiche e delle densità dei gas e dalla modellazione del percorso libero medio delle molecole di gas, possiamo concludere che la separazione tra le molecole d’aria alla pressione atmosferica e a 20°C è circa 10 volte il loro diametro. In genere viaggiano nell’ordine di 30 volte quella separazione tra le collisioni. Quindi le molecole d’acqua nell’aria hanno molto spazio per muoversi e non sono “trattenute” dalle molecole d’aria.

Quando si dice che l’aria può “trattenere” una certa quantità di vapore acqueo, il fatto che viene affrontato è che una certa quantità di vapore acqueo può essere residente nell’aria come costituente dell’aria. Le molecole di acqua ad alta velocità si comportano, con buona approssimazione, come particelle di un gas ideale. Ad una pressione atmosferica di 760 mm Hg, si può esprimere la quantità d’acqua nell’aria in termini di una pressione parziale in mm Hg che rappresenta la pressione del vapore apportata dalle molecole d’acqua. Per esempio, a 20°C, la pressione di saturazione del vapore acqueo è di 17,54 mm Hg, quindi se l’aria è satura di vapore acqueo, i costituenti atmosferici dominanti azoto e ossigeno contribuiscono alla maggior parte degli altri 742 mm Hg della pressione atmosferica.

Ma il vapore acqueo è un tipo di costituente dell’aria molto diverso da ossigeno e azoto. L’ossigeno e l’azoto sono sempre gas a temperature terrestri, avendo punti di ebollizione di 90K e 77K rispettivamente. In pratica, si comportano sempre come gas ideali. Ma l’acqua straordinaria ha un punto di ebollizione di 100°C= 373,15K e può esistere in fase solida, liquida e gassosa sulla Terra. È essenzialmente sempre in un processo di scambio dinamico di molecole tra queste fasi. Nell’aria a 20°C, se la pressione del vapore ha raggiunto 17,54 mm Hg, allora tante molecole d’acqua entrano nella fase liquida quante ne escono nella fase gassosa, quindi diciamo che il vapore è “saturo”. Non ha niente a che fare con l’aria che “trattiene” le molecole, ma l’uso comune spesso suggerisce questo. Quando l’aria si avvicina alla saturazione, diciamo che ci stiamo avvicinando al “punto di rugiada”. Le molecole d’acqua sono polari ed esibiranno una certa forza attrattiva netta l’una sull’altra e quindi cominceranno ad allontanarsi dal comportamento del gas ideale. Raccogliendosi insieme ed entrando nello stato liquido possono formare goccioline nell’atmosfera per fare le nuvole, o vicino alla superficie per formare la nebbia, o sulle superfici per formare la rugiada.

Un altro approccio che potrebbe aiutare a chiarire il punto che l’aria non “trattiene” effettivamente l’acqua è notare che l’umidità relativa non ha davvero nulla a che fare con le molecole d’aria (cioè N2 e O2). Se un pallone chiuso a 20°C contenesse acqua liquida ma non ci fosse aria, raggiungerebbe l’equilibrio alla pressione di vapore saturo di 17,54 mm Hg. A quel punto avrebbe una densità di vapore di 17,3 gm/m3 di vapore acqueo puro nella fase gassosa sopra la superficie dell’acqua. Ma se aveste appena rimosso l’aria e sigillato il contenitore con dentro l’acqua liquida, potreste avere una situazione in cui c’erano solo 8,65 gm/m3 residenti nella fase gassosa in quel particolare momento. Diremmo che l’umidità relativa nella beuta è del 50% in quel momento perché la densità del vapore acqueo residente è la metà della sua densità di saturazione. È esattamente la stessa cosa che diremmo se fosse presente l’aria – 8,65 gm/m3 di vapore acqueo nell’aria a 20°C rappresentano il 50% di umidità relativa. In queste condizioni, le molecole d’acqua starebbero evaporando dalla superficie nella fase gassosa più velocemente di quanto entrerebbero nella superficie dell’acqua, quindi la pressione del vapore acqueo sopra la superficie salirebbe verso la pressione del vapore di saturazione.