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Cinque facili applicazioni della termodinamica di base

1) Perché i maglioni tengono caldo

2) Perché il caldo umido è più fastidioso

3) Come mai si riesce a pattinare sul ghiaccio

4) Perché salendo di quota diventa più freddo

5) Perché piove

Cinque applicazioni della termodinamica spiegate in modo semplice e alla portata di tutti, in un certo senso possono essere considerate le “FAQ” di questa materia enorme e bellissima, che solo per essere trattata in modo banale impiegherebbe un lungo tempo: di fatti queste spiegazioni saranno tutto tranne che complete e rigorose, la solita spazzatura che si trova sul web (diventa sempre più difficile trovarci roba di “qualità”, ahimé).

1) Perché i maglioni tengono caldo?

La risposta è semplice e veloce: L’aria è un cattivo, ma che dico, pessimo conduttore di calore. Essendo un pessimo conduttore di calore una maglia riesce a intrappolare uno strato d’aria sotto sé stesso che dopo un po’ di tempo riusciamo a scaldare. Questo strato d’aria, se pur in parte a contatto con l’aria esterna, non si raffredda significativamente (non di quanto riusciamo noi a scaldarlo col nostro corpo), e quindi sentiamo più caldo. Ovviamente la realtà dei fatti è che abbiamo dell’aria con una certa conducibilità termica, e due sorgenti (il nostro corpo e l’aria esterna) a temperature diverse, essendo la corrente di calore proporzionale alla superficie di contatto e alla conducibilità abbiamo che riducendo la superficie d’aria esposta al freddo c’è un flusso di calore minore, quindi ci teniamo per noi il nostro calore e ci raffreddiamo di meno.

2) Perché il caldo umido è più fastidioso?

Abbiamo un metodo naturale per difenderci dal caldo: la sudorazione. Sudando depositiamo un fluido (del tutto simile all’acqua, ma non, ovviamente, H2O purissima) sulla nostra pelle. Il sudore evapora assorbendo calore dal nostro organismo, quindi raffreddandolo. Con l’umidità dell’aria elevata abbiamo che l’aria è già satura, o quasi, di acqua, pertanto l’evaporazione del sudore è rallentata, sempre di più man mano che l’umidità aumenta, così abbiamo che chi tipicamente suda di più soffre enormemente l’umidità (ciao, mi chiamo Stefano!), e chi invece suda di meno è meno influenzato: anzi, si potrebbe quasi dire che sotto i 36°C l’aria umida assorbe più calore da noi, perché ha un calore specifico più elevato, dovuto appunto all’umidità (questo la dice lunga sulla veridicità del dato uscito in questi anni: “temperatura percepita”, che va tanto forte al telegiornale in periodo estivo)!

Se come me una volta in vita vostra avete provato sollievo a prendervi delle ventate in faccia col volto sudato non pensiate che sia lo stesso fenomeno: si tratta, sì, del sudore che assorbe calore da noi, ma solo perché viene raffreddato dal vento che ci picchia sopra!

3) Come mai si riesce a pattinare sul ghiaccio?

Qua subentra la mia equazione preferita nella termodinamica “spicciola”

È la famosa equazione di stato, che tutti conoscono, o forse tutti DOVREBBERO conoscere, in quanto credo si insegni in tutte le scuole, a un certo punto del cammino. Teoricamente funziona solo coi gas perfetti, ma per i nostri utilizzi va benone anche per altro, in quanto non intendiamo tirare fuori dei numeri precisi ma solo constatare delle proporzionalità. P è la pressione, V il volume, n è indicativo della quantità di gas che abbiamo, R è una costante, T la temperatura. Abbiamo dunque che a parità di quantità un fluido sottoposto a una maggior pressione tenderà o a diminuire il suo volume (molto comune nell’esperienza di tutti i giorni), oppure ad aumentare la sua temperatura. Non ci si pensa mai, ma anche questo caso è molto comune. Immaginiamo infatti di prendere un qualunque solido e di applicarci sopra una pressione. Come fa il solido in questione a diminuire il suo volume? Non potendo la sua “scelta” (poverino, non è troppo intelligente, difficilmente “sceglierà”) ricade sull’aumento di temperatura. Sembra strano, ma se ci pensate bene sono convinto che vi venga in mente che piegando un pezzo di alluminio numerose volte l’avete sentito più caldo, lo stesso può succedere martellando un chiodo e probabilmente è la stessa cosa anche quando si schiaccia il burro con la forchetta. Il ghiaccio non è immune a questo effetto, quindi quando passiamo la lama del pattino sul ghiaccio abbiamo che la pressione aumenta enormemente (la pressione è forza/superficie, la superficie di una lama è quasi nulla) e riesce a liquefare istantaneamente il ghiaccio, allora sì che può scivolare! (il ghiaccio non è per niente liscio di per sé: se qualcuno di voi ha sbrinato un congelatore forse se n’è accorto, passando una spatola sul ghiaccio succede di tutto, ma di certo non si “scivola”, cominciamo a scivolare quando il ghiaccio comincia a sciogliersi, e si scioglie facilmente proprio in virtù dell’equazione di stato).

4) Come mai salendo di quota l’aria diventa più fredda?

Ci si potrebbe aspettare che le zone più calde dell’atmosfera siano quelle più in alto, in quanto sono più vicine al sole, anche se ovviamente sappiamo che non è così. In verità quello che accade è che la principale azione del sole è scaldare il suolo terrestre, che poi a sua volta scalda l’aria a partire dal basso; non bisogna pertanto sorprenderci se in alta montagna la temperatura è inferiore che a valle.

Un buon modello di colonne d’aria atmosferiche è il modello adiabatico (letteralmente: senza scambi di calore). Questo perché l’aria è un pessimo conduttore di calore, come accennato precedentemente, quindi il tempo impiegato dall’aria a scaldarsi o raffreddarsi è piccolo rispetto al tempo impiegato a raggiungere l’equilibrio meccanico (se fate una flautulenza in mare questa viene a galla molto prima di raffreddarsi: e lì è in contatto termico con l’acqua, un OTTIMO conduttore di calore!), quindi si ha che sostanzialmente l’aria va a posizionarsi in equilibrio con la sua pressione e densità e a quel punto si trova già con la temperatura in equilibrio con il resto dell’aria. Nelle adiabatiche, oltre all’equazione di stato scritta sopra, abbiamo

, con k costante. Usando queste due relazioni, insieme alle condizioni di equilibrio meccanico per la densità del gas, siamo in grado, a seconda della pressione, densità, o della temperatura di un gas, di trovare tutte le altre variabili. Abbiamo in particolare che ad altitudini “umane” si ha un calo di temperatura di circa 1°C per 100 metri, in accordo coi risultati sperimentali. Ad altitudini maggiori e inferiori il modello funziona peggio perché si ha l’evaporazione dell’acqua all’altezza del suolo e la condensazione della stessa a temperature più basse, che vengono raggiunte con l’altitudine.

5) Perché piove?

Banalmente, l’acqua evapora e quando trova l’aria fredda ad alta quota condensa.

Meno banale è il fenomeno della precipitazione vera e propria, perché se bastasse quello che ho appena detto sarebbe automatico che appena si vede una nuvola sta piovendo: è chiaro che non è così.

Infatti se è vero che quando il vapor d’acqua giunge in quota condensa, è meno realistico pensare che appena condensi riesca ad arrivare al suolo sottoforma di goccia: quello che succede più realisticamente è che una piccola goccia evapora e se ne torna nella nuvola ben prima di toccare il suolo, soprattutto se l’aria è sufficientemente secca.

Perché si riesca veramente ad ottenere una pioggia degna di tale nome dobbiamo avere una nube capace di formare dei cristalli di ghiaccio abbastanza grandi da vincere, con la propria forza peso, le correnti ascensionali dovute al riscaldamento durante la discesa: inoltre, una volta in caduta libera, è possibile che delle masse d’acqua maggiori entrino in contatto con masse più piccole, perché più lente, e riescano a trascinarle con sé. In quel modo si riesce ad ottenere una pioggia capace di toccare il suolo.