Aria fredda - Aria calda e nuvole

Anche la formazione di una nube dalla mescolanza di masse di aria aventi temperatura e umidità differenti trova spiegazione mediante l'uso del grafico della pressione di vapore (equazione di Clausius-Clapeyron).
Le porzioni di aria rappresentate dai punti A e B si trovano entrambe nella regione non satura del grafico. La parte A è calda e umida, la parte B è fredda e secca. Quando vengono mescolate (per esempio in quantità uguali) può accadere che l'aria ottenuta abbia una pressione di vapore uguale alla pressione del vapore saturo a quella temperatura (punto C del grafico) e quindi avviene la condensazione.
Le scie lasciate dagli aerei sono un esempio di questo tipo di nube.

L'umidità relativa può variare principalmente per due motivi:
1) aumento o diminuzione della quantità di vapor acqueo presente nell'aria;
2) riscaldamento o raffreddamento dell'aria.
Poiché durante una giornata entrambi questi fattori possono variare, anche l'umidità relativa cambia durante il giorno. In assenza di nubi che coprano il cielo limitando l'irraggiamento, la temperatura dell'aria in superficie aumenta durante il giorno e diminuisce durante la notte. Anche se la quantità di vapor acqueo nell'aria restasse costante, l'umidità relativa cambierebbe semplicemente in conseguenza delle variazioni di temperatura. Queste variazioni diurne  legate alla diversa altezza del sole nel corso della giornata  in condizioni di bel tempo stabile sono estremamente regolari. Altrettanto regolare è perciò anche l'umidità relativa: più elevata nelle prime ore del mattino (la parte più fredda di una giornata) che nel pomeriggio (la parte più calda del giorno). Variazioni irregolari di temperatura e umidità relativa intervengono a causa degli spostamenti di masse d'aria e dell'arrivo di  perturbazioni.

L'umidità relativa permette di conoscere quanto sia prossima la saturazione, ma non fornisce direttamente l'effettiva quantità di vapore acqueo presente nell'atmosfera. Il meteorologo preferisce conoscere l'effettiva quantità di vapor acqueo, per prevedere più accuratamente l'arrivo di una perturbazione o la formazione delle nubi. La temperatura del punto di rugiada fornisce questa informazione in modo diretto.

Tuttavia, il punto di rugiada fornisce quindi un modo di indicare il contenuto di umidità dell'aria: più alto è il punto di rugiada, maggiore è il contenuto di vapor acqueo nell'aria a una certa temperatura. Da segnalare che questo parametro, pur essendo dimensionalmente una temperatura, non influisce sulla effettiva temperatura dell'aria che è normalmente più alta del punto di rugiada. Quando il punto di rugiada e la temperatura dell'aria sono uguali, l'aria è detta satura. Il punto di rugiada non è mai superiore alla temperatura dell'aria. A quel punto se l'aria viene ulteriormente raffreddata, il vapor acqueo deve essere rimosso dall'aria e ciò può realizzarsi attraverso un processo di condensazione, che ha come risultato la formazione di piccole goccioline di acqua che possono portare allo sviluppo di nebbie, nubi o anche precipitazioni.

Equazione di Clausius-Clapeyron

Le nubi si formano attraverso processi naturali legati all'umidità atmosferica. Il vapor acqueo (invisibile! ma rilevabile con il satellite meteorologico) nell'atmosfera viene costantemente rinnovato dai processi di evaporazione, mentre le precipitazioni, in forma di pioggia o neve, a loro volta riportano l'acqua sulla superficie terrestre, completando il ciclo idrologico. L'aria è composta soprattutto da azoto e ossigeno, ma in parte anche da vapor acqueo. Le nubi si formano quando l'aria si raffredda fino al punto in cui il vapor acqueo condensa, ovvero la condensazione avviene quando una porzione di aria è satura di vapor acqueo. Quando l'aria umida si muove verso l'alto incontra pressioni più basse e si espande, raffreddandosi. L'aria fredda può contenere meno vapor acqueo e la sua temperatura può eventualmente raggiungere il punto di saturazione. Il vapor acqueo allora condensa, formando piccole goccioline che raggruppandosi in gocce più grosse formano una nube. Un ulteriore raffreddamento può portare anche alla formazione di cristalli di ghiaccio. In definitiva la comparsa di una nube fornisce l'evidenza visiva della presenza dell'acqua nell'atmosfera. La quantità di umidità presente nell'aria si può esprimere in vari modi. L'unità di misura di riferimento è la pressione parziale del vapor acqueo, che rappresenta la pressione esercitata dalla componente dovuta al vapor acqueo della pressione atmosferica totale, e tipicamente è una piccola frazione della pressione atmosferica complessiva. Pertanto la pressione parziale del vapore acqueo al punto di condensazione è detta pressione del vapore saturo e dipende dalla temperatura secondo quanto indicato dalla equazione di Clausius-Clapeyron, che può essere ricavata dal primo principio della termodinamica. La curva corrispondente, che rappresenta la pressione del vapore saturo in funzione della temperatura, aiuta a comprendere il processo termodinamico che porta alla formazione di una nube.

Le nubi formate per convezione sono dovute al fatto che l'aria calda tende a salire (correnti convettive), Pertanto quando il sole irraggia la terra, lo strato di aria più vicino alla superficie si riscalda; l'aria calda, essendo meno densa dell'aria circostante, viene portata verso l'alto dalla spinta di Archimede. Quindi questa bolla d'aria calda ascendente (detta termica) tende a salire espandendosi a causa della minor pressione esterna e raffreddandosi adiabaticamente. Se una termica raggiunge un'altezza a cui la temperatura si è abbassata fino al punto di saturazione, il contenuto di vapor acqueo diventa visibile sotto forma di nube (cumulo). Le termiche cominciano a formarsi nel corso della mattinata quando la superficie terrestre si riscalda; con l'aumentare della temperatura compaiono anzitutto dei piccoli gruppi di cumuli che tendono ad accrescersi. Il loro sviluppo verticale continua sino a che l'aria della bolla si mantiene più calda dell'aria circostante. Quando la temperatura dell'aria al suolo raggiunge i valori più elevati, nel primo pomeriggio, anche i cumuli raggiungono il loro massimo sviluppo. Nel tardo pomeriggio e in serata i cumuli tendono a scomparire, dissolvendosi completamente nella notte quando l'aria e la superficie terrestre si raffreddano.
Tuttavia le nubi di tipo cumuliforme ben distanziate e separate indicano un periodo di tempo buono: infatti l'aria che affluisce è troppo secca oppure l'aria al suolo è troppo fredda perché si abbiano precipitazioni. Nubi di questo tipo si formano comunemente in estate (cumuli di bel tempo). Ma anche le grosse nubi cumuliformi di un temporale sono esempi di nube convettiva. Inoltre la convezione spiega anche perchè le regioni vicine all'equatore sono quasi sempre coperte di nubi durante la parte più calda del giorno.

Conduzione Termica

Convezione

Azoto (N2) 78%

Ossigeno (O2) 20%

Gas nobili 1%

Anidride carbonica (CO2) 0,03%

Vapore acqueo (H2O) 0,97%

La quantità di acqua contenuta nell'aria varia notevolmente. Quando grandi quantita' di acqua sono presenti nell'aria altri elementi sono presenti in quantita' piu' basse. La quantità di acqua nell'aria può aumentare fino al 4%. La percentuale più bassa di acqua nell'aria è 0.5%. L'acqua spinge i gas più vicino, in modo da poter occupare parecchio spazio.
Quando la quantità di acqua nell'aria è molto bassa, l'aria è detta secca. Il peso di 22.4 dm³ di aria secca è 28.96 grammi. Quando l'aria contiene sufficienti quantita' di acqua è detta umida. L'aria umida è più pesante dell'aria asciutta.

Oltre agli elementi precedentemente elencati, anche altri elementi sono presenti nell'aria. Tuttavia, le percentuali di tali elementi sono molto basse. In aria si possono trovare anche aereosol: si tratta di particelle di polvere scaricate sulla superficie della terra dal vento, o emesse durante l'attività vulcanica. Quando avvengono dei processi di combustione, anche ceneri e particelle grimose finiscono nell'aria.

La composizione dell'aria varia notevolmente con altezza. Oltre novanta chilometri sopra la superficie terrestre le molecole dell'ossigeno si scompongono e restano soltanto atomi di ossigeno. Oltre cento chilometri sopra la superficie delle terre, anche le molecole dell'azoto si scindono. A tale altezza l'aria non ha la composizione che conosciamo. La' l'atmosfera è completamente differente.

Trasformazioni termodinamiche

Quando un sistema passa da uno stato di equilibrio ad un altro, si dice che avviene una trasformazione termodinamica: si distingue tra trasformazioni reversibili, ovvero quelle trasformazioni che consentono di essere ripercorse in senso inverso (si ritorna precisamente al punto di partenza, ripercorrendo all'indietro gli stessi passi dell'andata), e trasformazioni irreversibili, ovvero quelle trasformazioni che, se ripercorse all'indietro, non faranno ritornare al punto iniziale, ma ad uno diverso.

I Principi della Termodinamica

I principi della termodinamica vennero enunciati nel corso del XIX secolo e regolano le trasformazioni termodinamiche, il loro procedere, i loro limiti. Si possono distinguere tre principi di base più un principio zero che definisce la temperatura, e che è implicito negli altri tre.

Principio Zero

Quando due sistemi interagenti sono in equilibrio, condividono alcune proprietà, che possono essere misurate dando loro un preciso valore numerico. In conseguenza, quando due sistemi sono in equilibrio con un terzo, sono in equlibrio tra loro e la proprietà condivisa è la temperatura. Il principio zero della termodinamica dice semplicemente che, se un corpo "A" è in equilibrio termico con un corpo "B", e "B" è in equilibrio termico con un corpo "C", "A" e "C" sono in equilibrio tra loro. Tale principio spiega il fatto che due corpi a temperature diverse, tra cui si scambia del calore, (n.b. anche se questo concetto non è presente nel principio zero) raggiungono la stessa temperatura. Nella formulazione cinetica della termodinamica, il principio zero rappresenta la tendenza a raggiungere un'energia cinetica media comune degli atomi e delle molecole dei corpi tra cui avviene scambio di calore: in media, come conseguenza degli urti delle particelle del corpo più caldo, mediamente più veloci, con le particelle del corpo più freddo, mediamente più lente, si avrà passaggio di energia dalle prime alle seconde, tendendo dunque ad uguagliare le temperature. L'efficienza dello scambio di energia determina i calori specifici dei materiali coinvolti.

Primo Principio

Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Per spiegare questo fenomeno, gli scienziati del XVIII secolo supposero che una sostanza, presente in maggior quantitа nel corpo più caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza ipotetica, detta calorico, era pensata come un fluido capace di muoversi attraverso la materia. Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule. Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto moto perpetuo di prima specie. Il primo principio viene tradizionalmente enunciato come "In un sistema chiuso si ha che ΔU = Q - L dove U è l'energia interna del sistema, Q è il calore scambiato (positivo se fornito al sistema) e L il lavoro compiuto (positivo se compiuto dal sistema sull'ambiente). La convenzione dei segni risente del legame con lo studio dei motori termici, nei quali il calore viene trasformato (parzialmente) in lavoro.

Secondo Principio

Esistono diversi enunciati del secondo principio, tutti equivalenti, e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente (enunciato di Kelvin). Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto moto perpetuo di seconda specie. L'entropia totale di un sistema chiuso rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta quando si svolge una trasformazione irreversibile.

Terzo Principio

È strettamente legato al secondo, e in alcuni casi è considerato come una conseguenza di quest'ultimo. Può essere enunciato dicendo che è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di trasformazioni e fornisce una precisa definizione della grandezza chiamata entropia.