Il fenomeno dell'evaporazione alla luce del modello particellare

Dalla "giornata" precedente gli allievi hanno imparato che le particelle dell'aria sono in continuo movimento, cosa non difficile da accettare se si considera la mobilità e la facilità di diffusione dei gas. Il moto delle particelle dei liquidi e dei solidi è ben più difficile da assimilare, data la loro apparente staticità, in una fase in cui è già difficile digerire la natura discontinua della materia. È possibile giungere a un conflitto cognitivo con cui tentare, almeno, di destabilizzare le concezioni spontanee. Si chieda agli allievi di scegliere tra le seguenti spiegazioni microscopiche alternative dell'evaporazione (o della sublimazione).

1. Modello statico: le particelle si distaccano dalla superficie perché sollecitate dagli urti delle molecole dell'aria, anche se trattenute dalle forze di coesione; 

2. Modello dinamico: le particelle si distaccano dalla superficie perché sono dotate di un'agitazione termica caotica, che fa sì che alcune vincano le forze di attrazione, ma sono ostacolate dalle particelle dell'aria che urtano la superficie. 

La maggior parte degli allievi opterà per il modello statico. A questo punto si può proporre l'esperimento seguente. Si confronta la diminuzione di peso di un recipiente contenente alcol, posto in una beuta da cui si aspira l'aria, con la diminuzione di peso di un identico recipiente lasciato nella beuta con aria a pressione normale, durante lo stesso tempo. Se i due recipienti si facevano equilibrio in una bilancia a due piatti, quello rimasto in assenza d'aria risulterà più leggero dopo l'evaporazione.

Un analogo esperimento, ma con una bilancia sensibile almeno al milligrammo, può essere effettuato per la sublimazione dell'antitarme a base di para-diclorobenzene. Eliminando l'aria si ha un incremento del fenomeno dell'evaporazione o della sublimazione; quindi il fenomeno non è provocato dall'aria, ma deve essere una tendenza spontanea del liquido che evapora o del solido che sublima. La tendenza delle particelle a lasciare il liquido - a causa della loro agitazione termica - può essere correlata all'ebollizione, che richiede un innalzamento di temperatura e, quindi, di agitazione termica. Che il maggior grado di agitazione delle particelle del liquido è necessario a vincere la pressione esterna dell'aria, può essere evidenziato con un altro semplice esperimento: si aspirano 1-2 mL di alcol con una siringa, della quale si chiude poi l'ago infilandolo in una gomma, evitando l'entrata di aria. Se si solleva il pistone rapidamente, si constata l'ebollizione dell'alcol per qualche secondo: in assenza di aria le particelle dell'alcol si trasferiscono in massa nello spazio vuoto, come gas, e questa può essere considerata una prova del loro moto a temperatura ambiente. L'ebollizione non va considerata conseguenza dell'aspirazione, come ci inducono a fare le nostre concezioni spontanee. La forza occorrente per la trazione del pistone va imputata alla resistenza della pressione dell'aria esterna. Se la siringa chiusa e contenente l'alcol viene posta nella beuta da vuoto, aspirando l'aria dalla stessa beuta si trova che il pistone si solleva da solo per lasciare spazio alle particelle che, nuovamente, evaporano spontaneamente. Il non essere consapevoli della presenza pervasiva dell'aria è alla base di tutte le nostre concezioni intuitive errate sui fenomeni che coinvolgono la pressione e gli aeriformi. Il raffreddamento che accompagna il fenomeno dell'evaporazione è anch'esso facilmente osservabile e può essere associato al prelievo energetico occorrente per vincere le forze di coesione che tengono unite le particelle.