Confrontare ghiaccio e acqua nell’estinguere il calore del metallo
Il professore associato Jonathan Boreyko guida un team presso la Virginia Tech che ha costruito un solido portfolio di lavoro con ghiaccio ed acqua, esplorando le possibilità per il de-icing degli aerei, la costruzione di innovativi dispositivi di raccolta dell’acqua e la creazione di globi di neve fatti di bolle. Questa familiarità con l’acqua ha dato al team una forte percezione del suo comportamento in diversi stati, portando ad un nuovo progetto che mostra come il ghiaccio estingua il calore in confronto all’acqua. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Chem il 14 aprile.
Mojtaba Edalatpour e la laureanda Camryn Colón hanno condotto questo progetto. Hanno investigato metodi di estinzione del calore del metallo, un passaggio critico in applicazioni quali la metallurgia e la lotta antincendio. Entrambi i casi richiedono velocità. I metallurghi devono rapidamente abbassare la temperatura di un pezzo forgiato per ottenere specifiche proprietà del materiale, mentre i vigili del fuoco lavorano per fermare la distruzione di beni il più velocemente possibile. L’estinzione con l’acqua è efficace solo sotto una temperatura critica, oltre la quale l’acqua si solleva sul proprio vapore e non può più bollire via il calore.
Il team di Boreyko voleva vedere se utilizzare il ghiaccio, invece che l’acqua, potesse evitare il problema del sollevamento per consentire l’estinzione di superfici ultra-calore.
Misurazione, riscaldamento e misurazione ancora
Per condurre questa ricerca, Edalatpour e Colón hanno riscaldato una superficie di alluminio e misurato la velocità di raffreddamento dell’acqua rispetto al ghiaccio. Per assicurare un confronto diretto, hanno rilasciato la stessa quantità di acqua e di ghiaccio sulla superficie dopo che è stata riscaldata alla temperatura desiderata.
Quando la temperatura iniziale della superficie dello stadio era compresa tra 100°C e 300°C, sia l’acqua che il ghiaccio hanno estinto con successo la superficie al di sotto dei 100°C. Il ghiaccio, però, ha ottenuto quel risultato in metà del tempo. A temperature più elevate – da 300°C a 500°C – solo l’estinzione con il ghiaccio è stata efficace. Il trasferimento di calore con il ghiaccio è stato più di 100 volte più efficace rispetto all’acqua liquida a queste alte temperature.
Qual’è stata la differenza? Le proprietà dell’acqua impediscono che colpisca il punto dolce per rimuovere il calore.
Quel punto dolce è l’ebollizione, perché il vapore che sfugge in bolle porta in modo più efficiente via il calore. Poiché l’acqua si solleva facilmente sul suo vapore ad alte temperature, diventa isolata dalla superficie e l’ebollizione non avviene mai. Il ghiaccio si comporta in modo diverso. Quando viene lasciato cadere su una superficie calda, il ghiaccio assorbe gran parte del calore mentre si scioglie. Ciò riduce la quantità di calore disponibile per produrre bolle di vapore, impedendo il problema del sollevamento. In altre parole, l’acqua di fusione bolle ad un ritmo più lento rispetto all’acqua pura, aiutando quindi a mantenere l’ebollizione ad alte temperature.
Boreyko ha paragonato il comportamento insolito del liquido alla produttività dei lavoratori.
“Pensa ad un workaholic che si concentra sempre sul suo lavoro”, ha detto. “Inizia iper produttivo ma brucia rapidamente e diventa inefficace. Si scopre che l’acqua si comporta allo stesso modo quando è esposta a superfici ad altissime temperature: è così focalizzata e produttiva nell’ebollizione
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