Se metti il ghiaccio su una piastra di metallo calda, molto rapidamente non hai più ghiaccio, tuttavia gli scienziati hanno scoperto che prima di scomparire, il ghiaccio fa accadere cose inaspettate al confine dove caldo e freddo si incontrano, un fenomeno denominato Leidenfrost; questa scoperta potrebbe portare a modi migliori per temperare i metalli e, se dovesse accadere il peggio, prevenire un incidente nucleare.
Cospargi delle gocce d’acqua su un oggetto molto al di sopra del punto di ebollizione dell’acqua e, invece di trasformarsi rapidamente in vapore, balleranno per un po’, pattinando senza attrito sulla superficie.
Conosciuto dal 1751 come effetto Leidenfrost, questo comportamento appare in forme diverse come l’azoto liquido su superfici a temperatura ambiente, idrogel stridenti e (probabilmente) camminatori di fuoco, i quali passeggiano sui carboni ardenti senza subire danni.
Il dottor Jonathan Boreyko della Virginia Tech e l’allora studente universitario Daniel Cusumano erano curiosi dei limiti gelidi del Leidenfrost, come un solido blocco di ghiaccio che sostituisce l’acqua liquida e, nella rivista Physical Review Fluids, riportano risultati che potrebbero essere utili oltre che sorprendenti.
Quando il liquido a contatto con una superficie calda bolle con il vapore intrappolato al di sotto, si crea l’effetto Leidenfrost, che isola il resto della goccia poiché il gas conduce il calore molto più male del liquido. Controintuitivamente, fa sì che le gocce d’acqua durino molto più a lungo su una lastra di metallo molto calda rispetto a una solo leggermente al di sopra dei 100º C (212º F), dove l’effetto deve ancora manifestarsi.
“Ci sono così tanti documenti là fuori sulla levitazione di liquidi, volevamo porre la domanda sulla levitazione del ghiaccio”
ha detto Boreyko in una nota, per poi aggiungere:
“È iniziato come un progetto di curiosità. Ciò che ha guidato la nostra ricerca è stata la domanda se fosse possibile o meno avere un effetto Leidenfrost trifase con solido, liquido e vapore”.
Lo studio nel dettaglio del Leidenfrost
Cusumano ha filmato lo scioglimento di un cubetto di ghiaccio su una lastra di alluminio a 150º C (302º F) utilizzando telecamere al rallentatore, scoprendo che non levita come una goccia d’acqua. Invece, mentre si scioglie, l’acqua bolle rapidamente.
Quando Cusumano ha continuato ad aumentare la temperatura, tuttavia, ha scoperto che anche il ghiaccio subisce un effetto Leidenfrost: la temperatura deve essere molto più alta. Per una lastra di alluminio, erano necessarie temperature di circa 550º C (1022º F), anche se questo varia leggermente con il metallo utilizzato.
Il dottorando Mojtaba Edalatpour ha preso poi il posto di Cusumano nella ricerca per spiegare le scoperte inaspettate, attribuendole al trasferimento di calore all’interno dello strato di acqua di disgelo; nel punto in cui l’acqua tocca il piatto la sua temperatura è mantenuta a 100°C – tutto ciò che è più caldo bolle – ma dove è a contatto con il ghiaccio deve essere vicino a 0°C.
“La differenza di temperatura che il ghiaccio crea in modo univoco attraverso lo strato d’acqua ha cambiato ciò che accade nell’acqua stessa. Ora la maggior parte del calore della piastra calda deve passare attraverso l’acqua per mantenere quel differenziale estremo, quindi solo una piccola frazione dell’energia può più essere utilizzata per produrre vapore.”
ha detto Boreyko.
La piccola quantità di vapore non può formare uno strato ammortizzante e, ironia della sorte, poiché l’ebollizione inizialmente viene rallentata, il ghiaccio si scioglie più velocemente, portando infine a un aumento dell’ebollizione.
Solo a temperature estreme il calore entra nell’acqua abbastanza velocemente da farla bollire piuttosto che trasferirsi verso l’alto.
La scoperta potrebbe aggiungere una svolta in più a coloro che usano l’effetto Leidenfrost nelle dimostrazioni di fisica, ma ha anche implicazioni pratiche. L’effetto Leidenfrost interferisce con gli sforzi per raffreddare i reattori nucleari dopo disastri come Fukushima, ma i refrigeranti a ghiaccio potrebbero aggirarlo.
Gli strumenti in metallo diventano fragili se raffreddati troppo lentamente dopo la sagomatura, quindi la tempra rapida è stata una sfida sin dall’età del ferro, per millenni le persone hanno creato leggende su spade più forti del normale acciaio, e i bagni di ghiaccio potrebbero essere il segreto per renderle reali.
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