Trasformazioni dell’acquaTrasformazioni dell’acqua

Particolarmente importante: Particolarmente importante: ACQUAACQUA

Trasformazioni della materiaTrasformazioni della materia

Trasformazioni dell’acquaTrasformazioni dell’acqua

Riscaldamento del ghiaccio

Ebollizione dell’acqua

Riscaldamento

dell’acquaFusione

del

ghiaccio

T (°C)

Calore fornito (u.a.)

Riscaldamento

del

vapore

acqueo

Equilibrio (cinetico) liquido-vaporeEquilibrio (cinetico) liquido-vapore

equilibrio

(vapore saturo)

non equilibrio

(vapore insaturo)

SPP SPP

)(TPP SS

Curva della pressione di saturazioneCurva della pressione di saturazione

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 00

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

1 4 0 0 0

T ( ° C )

PS

( P

a )

Umidità Relativa UR

100)(

TP

PUR

S

• Pressione parziale di vapore PContributo del vapor acqueo alla pressione[P]=Pa

• Pressione di saturazione PS(T)Massimo valore della pressione di vapore ad una certa temperatura[PS]=Pa

I. Umidità e ambiente di conservazioneUmidità e ambiente di conservazione UR

II. Umidità e materiali igroscopiciUmidità e materiali igroscopici UCA

UMIDITA’UMIDITA’

I. Umidità e ambiente di conservazioneUmidità e ambiente di conservazione UR

Umidità Relativa UR

100)(

TP

PUR

S

• Pressione parziale di vapore PContributo del vapor acqueo alla pressione[P]=Pa

• Pressione di saturazione PS(T)Massimo valore della pressione di vapore ad una certa temperatura[PS]=Pa

• Umidità assoluta UMassa d’acqua contenuta nell’unità di volume[U]=g/m3

• Umidità di saturazione US(T)Massima quantità d’acqua contenibile, ad una certa temperatura, nell’unità di volume[US]=g/m3

Dalla pressione alla densità d’acqua contenuta

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 00

2 0

4 0

6 0

8 0

T ( ° C )U

S (

g /

m3 )

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 00

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

1 2 0 0 0

1 4 0 0 0

T ( ° C )

PS

( Pa

))()( TUTPUP SS

Umidità Relativa UR

100)(

TU

UUR

S

• Umidità assoluta UMassa d’acqua contenuta nell’unità di volume[U]=g/m3

• Umidità di saturazione US(T)Massima quantità d’acqua contenibile, ad una certa temperatura, nell’unità di volume[US]=g/m3

Curva dell’umidità di saturazione

• Per la US(T) esiste una curva che descrive la sua dipendenza da T analoga a quella della pressione di saturazione PS(T)

• Punto di rugiada TR

Per una data umidità assoluta U, il punto di rugiada TR è la temperatura alla quale il valore, sottoposto a raffreddamento, condensa

0 10 20 300

10

20

30

T (°C)

US (

g /

m3 )

E’ su questa forma della definizione di umidità relativa che si basa il funzionamento di un igrometro a condensazione (o a punto di rugiada)

nota: Dalla definizione di punto di rugiada segue che

e l’espressione UR può anche essere riscritta come:

100)(

)(

TU

TUUR

S

RS

)( RS TUU

Determinazione di UR dalla misura di T e TR

1. Misuro T2. Misuro TR (raffreddando l’aria fino quando non la vedo condensare)

3. Dalla curva dell’umidità di saturazione ricavo US(T) ed US(TR)

100)(

)(100

)(

TU

TU

TU

UUR

S

RS

S

0 10 20 300

10

20

30

U

T

US

TR

T (°C)

US (

g /

m3 )

temperatura Te umidità Uambiente

Igrometro a condensazione (a punto di rugiada)

• noti T e TR , dalla curva dell’umidità di saturazione ricavo US(T)

ed US(TR) 100)(

)(

TU

TUUR

S

RS

II. Umidità e materiali igroscopiciUmidità e materiali igroscopici UCA

Contenuto d’acqua UCA

1002 SEC

OHCA m

mU

• mH2O massa d’acqua presente nel

materiale

• mSEC massa anidra del materiale

Il valore di UR e le sue variazioni (UR) influenzano fortemente sia la qualità delle condizioni di conservazione che molti processi di degrado dei materiali igroscopici

1. Dal contenuto d’acqua UCA di un materiale igroscopico dipendono fortemente le sue proprietà fisiche, geometriche e meccaniche

2. Il contenuto d’acqua è fortemente influenzato da UR (e non da U ! )

note:

Composti polari (o idrofili)

• Acqua: composto polareDistribuzione non omogenea della carica

• Legame idrogeno: tra molecole d’acqua o tra molecole d’acqua e altre molecole polariE’ un legame “ponte” tra due gruppi polari, ad esempio quelli ossidrili OH

• Es: Molecole di cellulosaSi aggregano con legame idrogeno tra loro e con altre molecole polari

+

-

+

-

Le fasi dell’assorbimento di H2O

1. Adsorbimento: legame chimico col materialeUCA 5%

2. Imbibizione: aggregati di H2O tra le fibreUCA 30%

3. Assorbimento capillare: Riempimento capillare delle porosità per contatto con acqua liquidaUCA 200% o anche più

1. Il processo (3) è quello da prevenire per libri o quadri in contatto con una parete fredda (T<TR condensazione H2O liquida)

2. I processi (1) e (2) diventano meno efficienti all’aumentare di T

note:

Adsorbimento

1. E’ un processo esotermico

2. Diminuisce rapidamente con l’idratazione (satura rapidamente)

3. Diminuisce sensibilmente all’aumentare di T

note:

H2O fibre

Inizialmente (da stato anidro) preponderante formazione di legami

Molecole polari delle fibre(es.:cellulosa)

Q

fibre

H2O

Imbibizione

1. Non è un processo esotermico

2. Anche l’imbibizione diminuisce con l’idratazione e l’aumento di T

3. Adsorbimento e imbibizione cessano con l’assorbimento capillare

note:

• Questa fase è governata dalla formazione (rottura) di legami

fibre

H2O

H2O H2O

•In questa fase il verso prevalente di migrazione è regolato dal confronto

• E’ il processo che porta all’equilibrio igrometrico (equilibrio dinamico) quando

Ptra le fibre Pnell’ambiente

Ptra le fibre = Pnell’ambiente

Contenuto d’acqua e umidità relativa

• Legame tra UR e UCA

Si osserva che variazioni di UCA sono direttamente correlabili a quelle di UR (e non di U)

• Verso di migrazione dell’ H2OPer un dato valore di T, invece che confrontare Ptra le fibre e Pnell’ambiente , si possono confrontare UR e UCA per definire il verso di migrazione dell’H2O

• Valore di equilibrioData una certa UR, il valore di UCA tende ad un valore per il quale si ha l’equilibrio igrometrico (eq. dinamico)

Diagramma d’equilibrio igrometrico (EMC)

• Ad una data T, per ogni valore di UR, UCA tende a un valore d’equilibrio (EMC) ricavabile dal

• Ogni materiale igroscopico ha il suo diagramma EMC

• Per ogni temperatura c’è un diagramma EMC specifico

UC

A (

%)

d’e

quili

bri

o

UR (%)

T=16°C

Note sul diagramma EMC

• Il nome completo è diagramma isotermo d’isteresi igrometrica. Infatti vale per una data temperatura e riporta le due curve che caratterizzano un ciclo completo di assorbimento-desorbimeto

• Se non si conosce la storia igrometrica di un materiale, l’isteresi introduce un’indeterminazione . Per un dato valore di UR, dal diagramma si potrà ricavare un intervallo di valori

• Per un dato materiale, le curveEMC valide alle diversetemperature mostrano comeil processo di assorbimentosia meno efficiente aT maggiore

%)( CACA UU

curve di assorbimento

Effetti legati al valore di UCA e alle sua variazioni

• Disomogeneità di UCA : da disomogeneità spaziali (gradienti) di T e UR nell’ambiente di conservazione, da condizioni di non-equilibrio igrometrico (variazioni occasionali o cicliche di T e UR) Deformazioni (variazioni dimensionali)

• Valori non idonei di UCA : da valori non idonei di UR Degrado chimico Biodeterioramento Alterazione delle proprietà fisico-meccaniche

Proprietà meccaniche e valori di UR

Resistenza alla lacerazioneforza necessaria per far avanzare una lacerazione trasversale (N)

Resistenza allo scoppiopressione di scoppio di un foglio (Pa)

Allungamento alla trazioneallungamento percentuale per una data forza di trazione (%)

Resistenza alla trazionerapporto tra carico di rottura e larghezza del provino (N/m)

correlato: Allungamento alla rotturaallungamento percentuale (L/L)x100 al carico di rottura (%)

+60 -

+30 -

0 -

-30 -

-60 -65503020 40 80 90

variazionepercentuale[%]

UR [%]