Fin dall’antichità l’uomo ha cercato un riparo contro il freddo. Oggi la tecnologia ci porta a servirci di mezzi che, seppur scontati per noi, non lo sarebbero affatto stati qualche decennio fa.
Dal caminetto al termosifone, nelle nostre case abbiamo molti modi di contrastare le basse temperature. Ma perché cose così differenti portano allo stesso risultato? Cerchiamo di capire la differenza tra la combustione in un fornello o nel caminetto, e il modo in cui essi ci trasmettono calore, così come fanno i termosifoni.
Il calore e la sua trasmissione
Il calore è un fenomeno dovuto al movimento delle molecole. A qualsiasi temperatura superiore allo 0 (si intende zero assoluto, non 0°C, che equivale a dire 273 in scala assoluta) le molecole si muovono all’interno dei materiali. Questo significa che a qualsiasi temperatura, gli oggetti che ci stanno intorno, così come i fluidi, emettono del calore. Ma in che modo questo calore arriva a noi? Per quale motivo se abbiamo la mano sopra un oggetto molto caldo ci sentiamo ustionare? I metodi per trasmettere il calore sono 3: conduzione, convezione e irraggiamento. Nel primo caso il calore è trasportato proprio da quei moti delle molecole di cui si parlava prima, ed è il metodo di trasmissione preferito nei solidi. In poche parole, se poggio i piedi sulla borsa dell’acqua calda della nonna, le pareti in plastica trasmettono alla mia pelle il calore dell’acqua all’interno attraverso la conduzione. Per quanto riguarda invece la convezione, come dice il nome stesso, è un tipo di trasmissione che implica dei “moti convettivi”. Cosa sono questi moti? Semplice. Se tornando a casa dopo una giornata fredda e faticosa l’unica cosa che può tirare su il mio umore è un piatto caldo, cucino ad esempio una pastasciutta. La prima cosa da fare è mettere a bollire l’acqua: dopo qualche minuto comincerete a vedere che l’acqua si muove “in cerchio”, per così dire, ossia descrivendo dei cerchi che dai lati vanno verso il centro. Questi sono i moti convettivi e, come avrete intuito, la convezione è il metodo di trasmissione del calore preferito dei fluidi (per coloro che non sono esperti di nomenclatura badate bene: i fluidi racchiudono liquidi, gas e vapori al loro interno). E l’irraggiamento allora? In autunno e inverno si sperimenta molto meno all’aria aperta, ma se per un attimo gettate la mente nostalgica a quando in estate vi siete sentiti “baciati dal sole”, allora sapete già di cosa si tratta. L’irraggiamento è infatti il metodo di trasmissione del calore universale, per così dire, che copre tutti gli stati della materia e anche tutti i mezzi, che siano solidi o fluidi. Il sole ci scalda tramite l’irraggiamento nonostante i 149 milioni di chilometri di vuoto che ci separano, così come il caminetto di casa, nonostante ci trasmetta il suo calore anche grazie alla convezione dell’aria circostante, ci irraggia con la sua fiamma. E proprio dalla fiamma del caminetto è il caso di partire, per la nostra prossima osservazione
Caminetto o fornello? Che colore preferite?
Lo capisce anche un bambino, magari con una dose di daltonismo minore di quella del sottoscritto, che la prima differenza tra la fiamma del fornello della cucina e quella del caminetto sta nel colore. Il colore infatti è una caratteristica strettamente legata alla combustione: dipende dal tipo di combustibile, dalla temperatura, e specialmente da quanto bene avviene il processo. Cosa intendo? Andiamo sul semplice. Immaginate di fare una torta, da consumare in un’uggiosa domenica di novembre. Durante le prime fasi di preparazione dell’impasto dovete stare attenti che non si formino grumi, che la miscelazione avvenga nel miglior modo possibile, che l’impasto sia del tutto omogeneo. Ecco, la stessa cosa accade quando si parla di combustione. Come ci è stato detto fin dalle scuole elementari, la combustione, di norma, richiede un combustibile e ossigeno, detto anche comburente, e un’innesco. Come accade per le torte, esistono quantità ben precise di combustibile e ossigeno per cui la combustione avviene nel modo migliore. Per cui insomma, la torta risulta omogenea. Queste quantità dipendono dalla reazione chimica che ci sta dietro, ma approfondire la stechiometria chimica richiederebbe troppo spazio oggi. Tornando alla nostra combustione ben fatta, migliore è, più il suo colore virerà verso il blu. La presenza invece di disomogeneità o residui non voluti, porterà alla formazione di fuliggine, cenere e residui nerastri, proprio come il colore che si forma sulla cima della fiamma nel caminetto o nella stufa. Il fornello possiede un miscelatore che, prima di far arrivare il gas verso la scintilla che gli darà fuoco, lo miscela in modo ottimale con l’aria, formata per circa un quinto di ossigeno, in modo da non formare residui non voluti. Per quanto riguarda invece il caminetto, questa miscelazione non esiste e la fiamma deve andare a “prendere” quello che vuole bruciare direttamente dalla legna, che è un sistema eterogeneo e complesso, sicuramente non puro come il gas del fornello da cucina. Per questa ragione inizieranno a formarsi zone in cui c’è troppa legna e poco ossigeno o viceversa, e di conseguenza molti residui che daranno un colore più scuro alla nostra fiamma. Oltre a tutto questo, anche la cenere e i residui carbonizzati che in primavera dovremmo andare a levare dal piatto del camino o stufa che sia.
Termosifoni e altri strani sistemi
Per quanto riguarda invece i termosifoni, va da sé che il calore non arriva direttamente da una combustione, che sia del camino che ci scalda i piedi o del fornello che scalda le nostre pietanze. Come accennato prima, il suo calore deriva dal fluido molto caldo che gli scorre all’interno. Il fluido, in questo caso, è semplicemente acqua. L’acqua, scaldata nella caldaia di casa, scorre nelle tubature fino all’interno del nostro termosifone. Qui, incontra una serpentina, più o meno stretta, che mette in comunicazione il flusso con l’esterno. Ma per quale ragione il termosifone ha questa forma? La serpentina del termosifone è un modo estremamente efficace di aumentare l’area di contatto tra l’acqua calda e l’aria che la circonda. E questo cosa centra? Provate a toccare il palmo della vostra mano destra con quello della mano sinistra. Sentirete un certo tipo di contatto, molto minore e molto meno “stretto” rispetto a quello che provate se a toccarsi sono anche le vostre dita, magari intrecciate le une alle altre. Il principio è esattamente lo stesso: più l’area di contatto tra i tubi del termosifone, e quindi indirettamente l’acqua calda, è grande, maggiore sarà lo scambio di calore con l’aria esterna, e quindi il caldo emanato dal termosifone. Insomma, in poche parole, la forma del termosifone è un modo di rendere più efficiente il suo funzionamento. Questa è una cosa che accade, seppur al contrario, nei motori. Molti motori presentano delle parti che si scaldano fino anche diverse centinaia di gradi, e per raffreddarle spesso l’aria circostante è il metodo più economico e più efficace. Per questo motivo, se guardate nella moto di vostro cugino ve ne rendete conto in un battibaleno, i motori presentano delle superfici alettate, ossia delle componenti con delle “alette” di forma simile a quelle del termosifone, proprio per facilitare lo scambio di calore. Insomma, l’ingegneria ci sorprende migliorando anche oggetti di ogni giorno, dai fornelli ai termosifoni. Curioso come spesso, molte di queste tecnologie siano applicate anche nei motori e nei grandi impianti. Cosa ci insegna tutto questo? Spesso per stupirsi delle meraviglie della tecnologia non è necessario guardare documentari su grandi navi o costruzioni enormi, basta guardarsi un po’ in giro, anche in casa propria. E con l’inverno che avanza e ci costringe a stare di più con le porte chiuse, quale miglior passatempo?
