SM 3866 — Le furbizie della natura — 2016

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La Gazzetta del Mezzogiorno, martedì 12 aprile 2016

Giorgio Nebbia nebbia@quipo.it

La natura possiede alcune furbizie che, una volta conosciute, possono dar vita ad utili applicazioni tecniche; una di queste è costituita dalla proprietà dei fluidi di spostare calore quando evaporano e condensano. L’esempio più vistoso è offerto dall’acqua e non a caso chi ha “fabbricato” il nostro pianeta l’ha riempito proprio di acqua, in quantità molte volte superiore a quella delle terre emerse, per realizzare il suo grande progetto di tenere le terre emerse ad una temperatura adatta alla vita. Tutti i corpi esistono, come è ben noto, in tre stati fisici principali, solido, liquido e gassoso; nel passare da uno stato all’altro ogni corpo assorbe o cede calore. Prendiamo l’acqua: la troviamo allo stato liquido nei mari e negli oceani; dalla superficie dei mari, scaldata dal calore solare, una parte dell’acqua passa dallo stato liquido a quello di vapore “portando via”, se così si può dire, calore all’acqua marina circostante che così si raffredda; il vapore acqueo si disperde nell’atmosfera e, quando trova una superficie fredda come le zone fredde dei continenti o gli strati freddi dell’atmosfera, dallo stato di vapore ritorna allo stato liquido e restituisce all’ambiente circostante il calore che aveva assorbito evaporando. In questo modo l’acqua funziona da grande termoregolatore del pianeta: ne raffredda le parti calde e riscalda quelle fredde e, grazie a questo insieme di evaporazioni e condensazioni, rende abitabile la maggior parte della Terra. La quantità di calore in gioco quando un corpo passa da uno stato fisico all’altro varia da corpo a corpo e dipende dalla temperatura e dalla pressione a cui si trova.

Sui cambiamenti di stato dei corpi con cambiamenti di volume sono basate tutte le macchine termiche; alcune trasformano l’espansione di un fluido nel passaggio da liquido a vapore in energia meccanica; altre usano energia meccanica per trasformare un fluido dallo stato liquido a quello di vapore e raffreddare uno spazio. Nei frigoriferi, per esempio, un fluido è contenuto allo stato liquido in un recipiente da cui passa nella serpentina che circonda lo spazio contenente gli alimenti; qui il fluido evapora e sottrae calore tenendo freddi gli alimenti; la pompa comprime adesso il vapore e lo fa tornare allo stato liquido nel recipiente di partenza. I frigoriferi immettono nell’ambiente il calore portato via dal loro interno, tanto è vero che un frigorifero scalda l’aria della stanza in cui si trova. Una volta capito il meccanismo, si può fare l’operazione contraria: trasferire del calore da una zona fredda alla zona che si vuole riscaldare mediante compressione con una pompa ed evaporazione di un fluido: è il principio di una delle “pompe di calore” che ormai si stanno diffondendo in varie zone, con vantaggio ecologico.

C’è un’altra furbizia con cui si possono scaldare dei corpi sfruttando le proprietà dei fluidi. Immaginiamo di avere un tubo chiuso alle due estremità, contenente una piccola quantità di un fluido allo stato liquido e immaginiamo di immergere in uno spazio caldo l’estremità contenente il liquido; il liquido evapora e sale nello spazio vuoto sovrastante; quando incontra una zona fredda si condensa, cedendo il calore assorbito nell’evaporazione e ridiscende nella estremità calda. I tubi devono essere di rame o alluminio e devono avere la superficie interna trattata in modo da agevolare la discesa del fluido condensato verso la parte inferiore. I “condotti termici”, in inglese “heat pipes”, sono stati inventati almeno tre volte; da un ingegnere inglese, Perkins, nei primi anni dell’Ottocento, da Richard S. Gaugler che li ha brevettati nel 1942 per l’applicazione ai frigoriferi, e da George Grover che ha riscoperto il principio nel 1963. L’invenzione ebbe un successo straordinario perché, senza motori o parti in movimento, è possibile spostare grandi quantità di calore anche quando le differenze di temperatura sono piccole. Le prime applicazioni sono state a bordo dei satelliti artificiali i quali hanno una parte esposta al calore solare; per evitare l’eccessivo riscaldamento del satellite, sulla sua superficie sono posti degli “heat pipes”; il liquido scaldato dalla parte esposta al Sole evapora e, condensando nello spazio esterno freddissimo, raffredda il satellite. I “condotti termici” funzionano anche in assenza di gravità, appunto nello spazio.

I “condotti termici” trovano molte altre applicazioni. L’oleodotto che trasporta il petrolio dai giacimenti dell’Alaska settentrionale per 1300 chilometri al porto di Valdez nell’Alaska meridionale è appoggiato su piloni immersi nei ghiacci permanenti; il petrolio circola a circa 50 gradi e questo calore scalda i piloni che a loro volta potrebbero far fondere i ghiacci sottostanti e crollare; per evitare questo inconveniente ogni pilone è raffreddato mediante un “heat pipe” che ne disperde il calore negli spazi esterni più freddi. Gli “heat pipes” possono essere anche molto piccoli, adatti per esempio a raffreddare i computers o altre apparecchiature elettriche ed elettroniche, sono adatti a trasferire il calore da un corpo all’altro per un gran numero di intervalli di temperatura. Probabilmente le applicazioni dei “condotti termici” sono appena all’inizio; scegliendo opportunamente le dimensioni, gli intervalli di temperatura e i fluidi, possono essere utilizzati in molti campi, dovunque ci sia da trasferire del calore da un corpo ad un altro. Grande attenzione è rivolta al settore dell’energia solare dove potrebbero sostituire i normali scaldacqua basati sull’effetto termosifone. Anche in questo caso l’osservazione della natura offre soluzioni per risparmiare energia, per inquinare di meno e per innovazioni che creano occupazione e ricchezza.