Densità dell'acqua: cos'è e come si calcola

Perché un pezzo di legno d’acero galleggia sul lago? Perché nel Mar Morto non è necessario nuotare per non affondare? Ma soprattutto perché il ghiaccio non affonda nell’acqua? Risponderemo a queste domande parlando di un’anomalia che distingue l’acqua tra tutte le altre sostanze. Vediamo insieme che cos’è la densità dell’acqua, come varia a seconda della sua composizione e perché è importante per la vita sulla Terra!

Definizione di densità dell'acqua

La densità è una proprietà fisica delle sostanze e dei materiali detta intensiva perché indipendente dalla quantità degli stessi. La densità viene infatti definita come il rapporto della massa sul volume, ovvero:

D (densità) = m (massa in Kg) / V (volume in m³)

Ogni materiale presenta una densità propria in determinate condizioni di temperatura e pressione. Quel che ci interessa sapere è che la densità delle sostanze tende ad aumentare al diminuire della temperatura perché ogni materiale raffreddandosi tende a comprimersi e ad occupare un volume minore e quindi il rapporto tra massa e volume aumenta.

Aumentando la temperatura naturalmente la densità diminuisce perché accade esattamente il contrario: le molecole della materia tendono ad allontanarsi e a occupare volumi maggiori. Considerando la densità dell’acqua possiamo scoprire che ci sono alcune variabili da conoscere e un’anomalia da capire!

Come calcolare la densità dell’acqua

La densità dell’acqua è pari a 1000 Kg/m³, molto più alta rispetto a molti altri materiali. Il legno d’acero (densità media di ca 800 Kg/m³) infatti galleggia sull’acqua proprio perché ha una densità minore. Questo vale anche per tutti gli altri materiali che galleggiano sull’acqua perché hanno una minore densità.

Nello specifico, la densità dell’acqua pura allo stato liquido va calcolata dividendo la Massa dell’acqua  per il Volume dell’acqua a 4°C e a 1 atmosfera di pressione. In generale per comodità si considera che la densità sia pari a 1000 Kg/m³ ma nello specifico il suo valore è pari a 999,97 Kg/m³ in funzione dei valori reali di massa e volume dell’acqua a questa temperatura.

Questa piccola differenza è importante da considerare poiché la densità dell’acqua varia in funzione dei soluti in essa disciolti e, in generale, si tratta di valori molto piccoli ma che possono fare la differenza (vedi tabella). È importante sapere infatti che la densità dell’acqua varia a seconda della presenza o meno di soluti disciolti in essa e della temperatura. Vediamo come!

Densità dell’acqua in base alla sua tipologia

La densità dell’acqua varia in base alla sua tipologia a 4°C e a 1 atmosfera di pressione e, nello specifico aumenta passando dall’acqua distillata a quella salata in funzione delle sostanze disciolte in essa.

Acqua distillata

La densità dell’acqua distillata, ovvero quasi pura perché priva di corpi estranei, batteri e soluti, è leggermente superiore a quella di riferimento dell’acqua e pari a 1000 Kg/m³. 

Acqua dolce

L’acqua dolce, così come l’acqua del rubinetto, possono essere considerate delle soluzioni acquose complesse di sali minerali e quindi rispetto all’acqua hanno una densità leggermente maggiore e variabile a seconda anche delle forze di legame, attrazione o repulsione tra acqua e sostanze in essa disciolte. Per comodità si considera un valore medio di riferimento pari a 1000 Kg/m³.

Acqua salata

L’acqua salata ha la densità più elevata e pari a 1010 Kg/m³, ma in alcuni mari può arrivare anche a 1025 Kg/m³. In generale la densità dell’acqua di mare aumenta proporzionalmente alla sua salinità. Considerando che la densità media del corpo umano è di circa 985 Kg/m³, si capisce perché galleggia sull’acqua del mare. Nel Mar Morto addirittura può galleggiare senza nuotare, perché la densità della sua acqua arriva a 1240 Kg/m³.

Secondo il principio di Archimede poi “la spinta esercitata da un fluido su un corpo immerso è eguale al peso del fluido spostato dal corpo” e in base a questo possiamo calcolare anche la % del corpo che rimane sotto il livello dell’acqua del mare e quella che emerge sopra il suo livello. Se si tratta di un uomo che galleggia sul mare salato o sul Mar morto basta dividere la densità del suo corpo per quella delle rispettive acqua.

Facendo rapidi calcoli vediamo che nell’acqua del mare (con densità media di 1010 Kg/m³) il 97,5% del corpo di un uomo rimane sotto l’acqua ed emerge il 2,5% del suo corpo, nel Mar Morto i valori diventano rispettivamente il 79,43% e il 20,57%, un’evidenza dell’elevata salinità delle sue acque.

Densità dell’acqua e temperatura: l’anomalia che fa la differenza!

Parlando in generale di densità dei materiali, abbiamo visto che aumenta al diminuire della temperatura ma l’acqua presenta un’anomalia che la rende unica. Nello specifico, la densità dell’acqua aumenta come per gli altri materiali fino ai 4°C ma abbassando ulteriormente la temperatura inizia a diminuire. Infatti, il ghiaccio a 0°C e a 1 atmosfera ha una densità pari 916,8 kg/m³. Ma cosa significa a livello pratico questa anomalia dell’acqua? 

Questa anomalia spiega perché il ghiaccio galleggia nell’acqua. In particolare, in funzione della sua struttura allo stato cristallino, le molecole d’acqua tendono aoccupare il maggior spazio possibile allungando i loro legami e in tal modo il ghiaccio rispetto all’acqua allo stato liquido si espande. Espandendosi il volume del ghiaccio aumenta rispetto a quello dell’acqua liquida e di conseguenza la densità diminuisce. Questo è il motivo per cui una bottiglia di acqua dimenticata nel freezer può esplodere ma anche del fenomeno del ghiaccio che galleggia sui laghi e dei ghiacciai sul mare.