Come si misura il peso dell'aria: metodi ed esperimenti
L'aria ha un peso, anche se non lo percepiamo: la colonna d'atmosfera che grava su ogni metro quadrato della superficie terrestre esercita una pressione di circa 1013 ettopascal, equivalente a oltre dieci tonnellate di forza. Misurare il peso dell'aria significa, in pratica, determinarne la densità, cioè la massa contenuta in un dato volume. A livello del mare, a 15 °C e alla pressione di 1013,25 hPa (le condizioni dell'Atmosfera Standard Internazionale, ISA), l'aria secca ha una densità di circa 1,225 kg/m³, ossia poco più di 1,2 grammi per litro. Questo articolo spiega in modo pratico come ottenere questo valore in laboratorio o a scuola, quali strumenti servono e quali fattori influenzano il risultato.
Perché l'aria ha un peso
Il fatto che l'aria pesi non è intuitivo, e per secoli è stato oggetto di discussione. Furono Galileo Galilei, Evangelista Torricelli e Blaise Pascal, tra il Seicento, a dimostrare sperimentalmente che l'aria è un fluido dotato di massa e che la sua pressione varia con la quota. L'invenzione del barometro a mercurio da parte di Torricelli (1643) fornì la prova diretta dell'esistenza della pressione atmosferica. Da allora il principio è chiaro: essendo dotata di massa, l'aria è soggetta alla forza di gravità e quindi ha un peso, esattamente come qualsiasi altro corpo. Una stanza di 4 × 5 × 3 metri (60 m³) contiene circa 73 kg di aria, più di una persona adulta.
Il metodo più efficace: pesare con la pompa a vuoto
L'esperimento classico e più affidabile per misurare la densità dell'aria si basa sul confronto di due pesate: una con il recipiente pieno d'aria e una dopo averla rimossa. È il metodo consigliato anche da enti come l'Institute of Physics e si esegue con strumenti reperibili in un laboratorio scolastico.
Materiale necessario
- Una beuta codata o un pallone di vetro a pareti rigide, dotato di rubinetto o pinza di chiusura;
- Una pompa per il vuoto (anche una pompa a mano da laboratorio);
- Una bilancia digitale con risoluzione di almeno 0,01 g;
- Un recipiente con acqua e un cilindro graduato per misurare il volume.
Procedura passo per passo
- Prima pesata. Si pesa il recipiente chiuso, completo di tappo, tubi e pinza, con l'aria all'interno a pressione ambiente. Si annota la massa M₁.
- Estrazione dell'aria. Si collega il recipiente alla pompa e si aspira quanta più aria possibile, poi si chiude il rubinetto per mantenere il vuoto parziale.
- Seconda pesata. Si pesa di nuovo il recipiente svuotato e si annota la massa M₂. La differenza M₁ − M₂ è la massa dell'aria estratta.
- Misura del volume. Si immerge l'imboccatura del tubo sotto la superficie dell'acqua e si apre il rubinetto: l'acqua viene risucchiata e riempie il volume lasciato libero dall'aria estratta. Si travasa quell'acqua nel cilindro graduato per leggerne il volume V.
- Calcolo. La densità si ottiene dividendo la massa per il volume: ρ = (M₁ − M₂) / V. Con cura, l'esperimento restituisce un valore prossimo a 1,2 kg/m³.
L'accortezza decisiva per un risultato efficace è ridurre al minimo le incertezze: usare una bilancia precisa, estrarre il più possibile l'aria, ed evitare che il recipiente trattenga umidità tra le due pesate.
Metodi alternativi
Esistono varianti adatte a contesti diversi. Un approccio dimostrativo consiste nel gonfiare con una pompa una bottiglia di plastica rigida o un pallone da calcio, pesandolo prima e dopo: l'aumento di massa corrisponde all'aria compressa immessa, purché se ne conosca il volume e la pressione. Un altro metodo, più sofisticato, sfrutta la legge dei gas perfetti: misurando pressione (con un barometro), temperatura (con un termometro) e conoscendo la massa molare media dell'aria (circa 28,96 g/mol), si calcola la densità con la formula ρ = pM/(RT), dove R è la costante universale dei gas. Questo metodo non richiede di pesare nulla e fornisce un valore teorico di riferimento contro cui confrontare la misura sperimentale.
I fattori che modificano il risultato
La densità dell'aria — e quindi il suo peso a parità di volume — non è una costante: dipende da tre variabili principali.
- Temperatura. L'aria calda è meno densa di quella fredda, perché si dilata. A 0 °C la densità sale a circa 1,292 kg/m³, a 15 °C scende a 1,225 kg/m³.
- Pressione e quota. Salendo in altitudine la pressione diminuisce e l'aria si rarefà: a 2000 metri la densità è circa il 20% inferiore rispetto al livello del mare.
- Umidità. Contrariamente all'intuizione, l'aria umida è meno densa di quella secca: le molecole d'acqua (massa molare 18 g/mol) sono più leggere delle molecole di azoto e ossigeno che sostituiscono.
Per questo le misure di precisione, come quelle dei laboratori di metrologia che correggono il peso dei campioni per la spinta di Archimede dell'aria, richiedono di registrare con esattezza temperatura, pressione e umidità nel momento della pesata.
Domande frequenti
Quanto pesa un metro cubo d'aria?
In condizioni standard (15 °C, livello del mare, 1013 hPa) un metro cubo d'aria secca ha una massa di circa 1,225 kg. Il valore aumenta con il freddo e diminuisce con l'altitudine e con l'umidità.
Quanto pesa un litro d'aria?
Circa 1,2 grammi a 15 °C al livello del mare. È un valore piccolo ma misurabile con una bilancia digitale sensibile al centesimo di grammo.
Qual è il metodo più semplice per misurare il peso dell'aria a scuola?
Pesare un recipiente rigido prima e dopo averne aspirato l'aria con una pompa per il vuoto, poi misurare il volume sottratto con l'acqua. La densità è il rapporto tra la differenza di massa e il volume.
L'aria umida pesa più o meno di quella secca?
Meno. Le molecole d'acqua sono più leggere di quelle di azoto e ossigeno che sostituiscono nell'aria, quindi a parità di temperatura e pressione l'aria umida è meno densa.
Chi ha dimostrato per primo che l'aria ha un peso?
I lavori di Galileo Galilei nel Seicento, seguiti dagli esperimenti di Evangelista Torricelli (inventore del barometro nel 1643) e di Blaise Pascal, dimostrarono che l'aria possiede massa ed esercita una pressione.