Effetto Leidenfrost. Mai sentito! Che cos’è?

Fig. 1

Ti è mai capitato, mentre cucinavi, di far cadere qualche goccia d’acqua su una piastra molto calda? Cosa hai osservato?

Se la piastra si stava scaldando già da un po’ di tempo hai, di sicuro, osservato uno strano comportamento dell’acqua: le goccioline cadute, invece di evaporare istantaneamente, hanno iniziato a muoversi rapidamente, come se corressero sulla piastra calda, e sono vaporizzate dopo circa un minuto. Se la piastra non fosse stata così calda, la goccia di acqua sarebbe scomparsa in pochi secondi.

Questo fenomeno fisico è noto come effetto Leidenfrost e non riguarda solo l’acqua; si usa anche il termine calefazione per indicare quello che si osserva ogni volta che una sostanza allo stato liquido entra in contatto con una superficie riscaldata ad una temperatura molto, molto più alta del punto di ebollizione del liquido.

Hermann Boerhaave riferì l’esistenza di tale effetto per la prima volta nel 1732, ma il fenomeno fu investigato solo nel 1756 dal medico tedesco Johann Gottlob Leidenfrost che, nel 1746, trattò l’argomento nella sua opera De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus (“Trattato circa alcune qualità della comune acqua”).

Fig. 2

Ma lo studio di Leidenfrost rimase a lungo poco noto, in quanto solo nel 1965 l’opera fu tradotta dal latino. Ecco da chi deriva il nome dell’effetto e la temperatura, a cui il fenomeno si manifesta, è nota come punto di Leidenfrost.

Cosa accade con l’effetto Leidenfrost ?

Per spiegare l’effetto occorrono alcune semplici considerazioni. Lo strato più esterno del liquido a contatto con la superficie della piastra vaporizza, producendo uno strato gassoso isolante che impedisce al resto del liquido di raggiungere rapidamente la temperatura di ebollizione.

Lo strato di vapore esercita, quindi, una pressione verso l’alto che evita il contatto tra goccia e superficie metallica.

Si tratta di uno strato molto sottile: 0,2 mm nella parte centrale e 0,1 mm ai margini della goccia, eppure fino a quando tale strato aeriforme resiste sotto la massa liquida, quest’ultima non vaporizzerà. 

L’isolamento fornito da questo “cuscinetto” è sia di tipo termico, perché i gas hanno una conducibilità termica più bassa dei liquidi, sia di tipo meccanico, perché gli attriti vengono ridotti.

Ecco perché le gocce di liquido “levitano” sulla superficie di metallo; lo strato di vapore formatosi al momento del contatto liquido-piastra, solleva la goccia e rende possibili i rapidi movimenti sulla piastra calda. Inoltre il liquido mantiene la forma sferoidale della goccia grazie alla tensione superficiale del liquido.

Al seguente link trovi un video relativo a questo effetto:

https://youtu.be/C4vl6jSpsfw

Qual è la temperatura a cui si osserva la calefazione?

La temperatura della superficie su cui viene spruzzato il liquido e che consente di osservare l’effetto Leidenfrost non è unica, perché dipende dal liquido usato. Ad esempio la temperatura di Leidenfrost per l’acqua è di poco superiore ai 200 °C.

Spettacolo?

Questi effetti spesso vengono utilizzati nel corso di alcuni spettacoli, durante i quali può capitare di osservare qualche “temerario” che immerge un dito bagnato nel piombo fuso.

La temperatura di fusione del Pb è 328 °C e portando il piombo a 400 °C, l’acqua, che ha bagnato il dito, vaporizza istantaneamente creando un film protettivo!

Ma attenzione sono molte le variabili da considerare, che se non valutate conducono a vere e proprie tragedie. 

Tali “forme di spettacolo” sono ESTREMAMENTE PERICOLOSE e non dovrebbero essere eseguite da nessuno. 

Altro esempio di calefazione è quello relativo all’azoto liquido.

L’azoto liquido ha una temperatura di – 200 °C e la sua temperatura di ebollizione è – 196 °C.

Se versato sulla superficie di un pavimento, a temperatura ambiente, produce l’effetto Leidenfrost; una moltitudine di gocce di azoto liquido corre sul pavimento e solo dopo un po’ di tempo vaporizza. 

Vuoi vedere un video spettacolare? Osservalo con attenzione, ma OCCHIO: più volte compare la scritta che dice di NON RIPETERE le esperienze!!

https://youtu.be/wV7g8L633Sg

Ricorda che maneggiare azoto liquido richiede un’estrema cautela. Non è un gioco!

L’azoto liquido usato senza precauzioni può provocare ustioni da freddo molto gravi, inoltre avendo una temperatura di ebollizione così bassa, nel momento in cui entra a contatto con sistemi a temperatura ambiente evapora velocemente generando nebbia con alte concentrazioni di azoto gassoso, molto pericolose perché possono provocare asfissia, coma e morte.

Dal Corriere della Sera (Ottobre 2012)

Rischia la vita per un cocktail all’azoto liquido  

Ti invito a leggere l’articolo  BOILING AND THE LEIDENFROST EFFECT indicato nella sitografia; è la relazione scientifica di un professore che ha sperimentato su se stesso l’effetto Leidenfrost, con il piombo fuso, con l’azoto liquido…

Questo effetto può avere qualche utile applicazione?

Sì, l’effetto Leidenfrost sta trovando interessanti applicazioni nella robotica.

Presso l’Università di Leida nei Paesi Bassi l’uso di piccole sfere di idrogel e l’effetto Leidenfrost hanno consentito di scoprire un comportamento elastico interessante. Il team di ricerca, formato da Waitukaitis, Martin van Hecke e altri collaboratori, ha pubblicato un articolo scientifico sulla rivista Nature Physics nel numero del 24 luglio 2017.

Fino ad allora l’effetto Leidenfrost era stato osservato solo per i liquidi e per corpi rigidi sublimabili, mai per materiali con caratteristiche intermedie, come le piccole biglie di idrogel, formate da poliacrilamide e composte al 98% da acqua.

Lasciando cadere queste sferette su superfici calde gli scienziati hanno osservato fenomeni di rimbalzo, durevoli e molto accentuati.  Sfruttando la videografia ad alta velocità, gli scienziati sono riusciti ad immortalare il fenomeno di Leidenfrost: il vapore rilasciato dal contatto tra idrogel e padella crea rapide oscillazioni ad una frequenza molto elevata (qualche migliaio di cicli al secondo), come se si aprisse e chiudesse un buco molto, molto velocemente.

Basandosi sull’assunto che “l’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma”, questi continui rimbalzi sono dovuti all’uscita di vapore che funge da pistone ed imprime energia alle sfere; sembra quasi che le biglie vogliano fuggire dalla piastra, generando anche dei suoni.

Questo particolare fenomeno è stato definito dagli scienziati “effetto elastico di Leidenfrost”.

Al link il video 

https://youtu.be/8hp2B7dGt_A

Sviluppi futuri

“Le sfere agiscono quasi come un motore a vapore, ma ciò che è incredibile è che tutti i componenti di un normale motore, come il carburante ed il meccanismo del pistone sono contenuti semplicemente in una biglia di idrogel” spiega Waitukaitis.

La scoperta suggerisce una nuova strategia per produrre movimento, applicando questo principio nei cosiddetti soft robot, ad esempio realizzando serie di fili idrogel che inseriti in determinate posizioni e scaldati siano in grado di produrre il movimento del robot.

L’uomo è consapevole che nella nostra civiltà ci sia una crescente necessità di robot da usare nelle attività sociali, in ambienti non strutturati, a contatto con gli esseri umani; per la scienza robotica si aprono nuovi scenari che puntano a superare la struttura rigida dei robot, a favore dell’introduzione di parti robotiche “morbide”, facilmente malleabili, capaci di adattarsi a vari contesti. 

Lo sviluppo della Soft Robotics è sia una nuova frontiera dello sviluppo tecnologico, sia un nuovo modo di avvicinarsi alla robotica. I soft robot scardinano, infatti, le convenzioni e rappresentano una nuova generazione di robot capaci di sostenere l’uomo in ambienti naturali.

Che incredibile viaggio!

Siamo partiti dalle gocce di acqua spruzzate su una padella molto calda,e siamo arrivati ai robot umanoidi in grado di camminare…