I moderni sistemi di produzione industriale esigono che ogni passo del processo di lavorazione sia ottimizzato attraverso la completa caratterizzazione metrologica dei componenti impiegati e dei prodotti ottenuti. Ma per implementare queste procedure non è possibile prescindere dalla conoscenza delle proprietà fisiche intrinseche delle materie prime impiegate e molto spesso non si hanno a disposizione misure dirette delle grandezze di interesse. A questo punto, diventa di cruciale importanza individuare soluzioni che permettano di superare questo ostacolo. Una delle vie più comuni è quella della simulazione al calcolatore, poiché può vantare costi contenuti e risultati rapidi; così interi settori di ricerche si specializzano in quella che va sotto il nome di “computational physics”. L’impiego di tecniche numeriche però nasconde insidie delle quali bisogna essere consci. Non sempre le equazioni di partenza caratterizzano completamente il sistema, comunque ne sono solo un’approssimazione e quindi non esiste alcuna garanzia che i risultati ottenuti siano affidabili: nei fatti le incertezze introdotte dall’algoritmo computazionale possono portare ad instabilità o divergenze del metodo che potrebbero non essere evidenti in assenza di una validazione dei risultati ottenuti. Infine, diventa necessaria un’analisi dettagliata della propagazione delle incertezze dalle condizioni iniziali attraverso il metodo numerico.

La determinazione delle proprietà termodinamiche di un fluido allo stato liquido rientra esattamente nel tipo di problematica summenzionata. La misura diretta di grandezze quali la densità o il calore specifico è relativamente semplice per stati termodinamici a temperatura ambiente e bassa pressione mentre diventa estremamente difficile in stati ad elevata pressione. Spesso però i fluidi impiegati nei processi produttivi intervengono proprio in condizioni ben lontane da quelle standard e si rende così necessario sviluppare un metodo che permetta la determinazione metrologica delle grandezze termodinamiche di interesse valida in ampi intervalli in temperatura e pressione.

Ai fini qui descritti, presso il Laboratorio di Acustica Fisica dell’I.N.RI.M. è stato progettato e realizzato un apparato sperimentale per la misura di precisione della velocità del suono u. Tale apparato sperimentale utilizza la tecnica tradizionale pulse-echo a doppio riflettore, scelta in ragione dell’ottima combinazione offerta tra semplicità di progettazione e alte risoluzioni e accuratezze conseguibili. La misura ultrasonica della velocità del suono consiste in pratica nella determinazione di due grandezze meccaniche: la lunghezza del cammino acustico geometrico e il tempo impiegato da un impulso a percorrerlo.

Acqua (H2O)

n-Nonano (C9H20)

La velocità del suono è quindi determinata da misure meccaniche, ma anche da informazioni sulle proprietà termodinamiche del fluido, e questo risulta essenziale per assegnare il corretto contributo di incertezza alla misura. Applicando le equazioni per la propagazione dell’errore si può ottenere un’incertezza relativa dei valori di velocità del suono inferiore allo 0,05%, sull’intera regione T-p presa in esame.