Quanto aumenta il volume dell'acqua quando diventa ghiaccio?

L’acqua è una delle sostanze più diffuse ed essenziali sulla Terra, ma è anche una delle più sorprendenti dal punto di vista scientifico. A differenza della maggior parte dei liquidi, che si contraggono quando si raffreddano, l'acqua ha un comportamento peculiare: si espande quando ghiaccia.

Questo fenomeno è responsabile di una serie di processi naturali e tecnologici che influenzano la nostra vita quotidiana, dallo scoppio delle tubature in inverno alla formazione di iceberg che galleggiano nell'oceano.

Quanto aumenta il volume dell'acqua quando ghiaccia?

Quando l'acqua passa dallo stato liquido allo stato solido, il suo volume aumenta di circa il 9-10%. Ciò significa che se un litro d'acqua ghiaccia, il ghiaccio risultante occuperà uno spazio di circa 1,09 litri.

Anche se questo aumento può sembrare piccolo, ha conseguenze significative, soprattutto in situazioni in cui l’acqua è contenuta in spazi chiusi, come tubi, bottiglie o formazioni geologiche. Questo aumento di volume spiega anche perché il ghiaccio galleggia sull’acqua.

Poiché il ghiaccio è meno denso dell’acqua liquida (a causa della sua espansione), i corpi d’acqua congelati tendono a rimanere in superficie, un fenomeno chiave per la sopravvivenza di molte forme di vita acquatica nei climi freddi.

Perché l'acqua si espande quando ghiaccia?

Il motivo per cui l'acqua si comporta in questo modo insolito è dovuto alla sua struttura molecolare unica. Le molecole d'acqua sono costituite da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno (H₂O) e quando sono allo stato liquido, queste molecole sono in costante movimento e si raggruppano in modo irregolare.

Questa struttura esagonale è più "aperta" rispetto alla disposizione disordinata delle molecole allo stato liquido, facendo sì che il ghiaccio occupi più spazio dell'acqua. Questo processo di formazione dei cristalli è ciò che provoca l'espansione del volume dell'acqua quando congela.

In che modo questo aumento del volume dell’acqua influisce sulla nostra vita quotidiana?

L’aumento del volume dell’acqua quando gela ha importanti implicazioni nella vita di tutti i giorni, un esempio comune è la rottura dei tubi nei climi freddi. Quando l'acqua contenuta in un tubo ghiaccia, la sua espansione genera una notevole pressione contro le pareti del tubo, provocandone spesso lo scoppio.

Un altro esempio è il danno che può subire un veicolo quando l’acqua nel radiatore gela. Senza un buon antigelo, l'acqua può espandersi e danneggiare i componenti chiave del sistema di raffreddamento del motore. Inoltre, questo fenomeno è di natura fondamentale.

L'espansione del ghiaccio favorisce la formazione di crepe nelle rocce in processi noti come alterazione meccanica. Quando l'acqua entra in piccole fessure in una roccia e poi ghiaccia, la sua espansione provoca nel tempo la frattura della roccia, contribuendo all'erosione e alla formazione di paesaggi.

Le sfide di questo fenomeno per la scienza e l’ingegneria

In campo scientifico e tecnologico, l’espansione dell’acqua quando gela pone sia sfide che opportunità. In ingegneria, ad esempio, è fondamentale tenere conto di questo fenomeno quando si progettano infrastrutture in zone fredde.

Dighe, strade ed edifici possono essere danneggiati se non si considera l'effetto del congelamento e dell'espansione dell'acqua, che può portare a crepe e crolli strutturali.

D’altro canto, gli scienziati utilizzano l’espansione dell’acqua come strumento in campi come la criogenia, dove si studia il comportamento dei materiali alle basse temperature. Il ghiaccio svolge anche un ruolo fondamentale nella ricerca sui cambiamenti climatici, poiché lo scioglimento dei ghiacciai e del ghiaccio marino ha un impatto diretto sul livello del mare e sui modelli meteorologici globali.