Come la concentrazione di cloruro di sodio nell’acqua influenza la sua temperatura Leidenfrost
di Francesco Tatulli, Deledda International School, Genova
https://www.youtube.com/watch?v=4uMYwarEC90
Vince l’accredito a LIYSF, Forum internazionale giovanile della scienza, Londra (Gran Bretagna), 29 luglio-12 agosto (https://www.liysf.org.uk/liysf).
Fondata nel 1959, LIYSF mira a fornire una visione più approfondita della scienza e delle sue applicazioni a beneficio di tutta l’umanità e sviluppare una maggiore comprensione tra i giovani di tutte le Nazioni. LIYSF 2020 avrà il tema di fondo: ‘Scienza Per Il Cambiamento’. Verranno considerate tutte le discipline scientifiche, da utilizzare insieme per fornire soluzioni efficaci per sfide come il cambiamento climatico, l’energia sostenibile, i virus, l’invecchiamento e la sovrappopolazione nella gestione dei dati, la sicurezza informatica e l’autenticità delle informazioni. La scienza può essere utilizzata per mobilitare il cambiamento e affrontare i futuri sviluppi con l’intelligenza artificiale, la nanotecnologia, l’ingegneria, la robotica, la biologia, la medicina, la chimica, la fisica, la matematica e l’astrofisica. Il modo in cui la scienza viene comunicata è ancora più importante oggi, non solo per i governi e i responsabili politici, ma per tutti. LIYSF 2020 fornirà anche agli studenti nuove conoscenze e abilità, connessioni e la più ampia prospettiva.
Sintesi del progetto. La ricerca si basa sull’effetto Leidenfrost, fenomeno per cui gocce esposte a temperature ben più alte del loro punto di ebollizione non evaporano, a causa della formazione di uno strato isolante di vapore sotto la goccia stessa, che rallenta la trasmissione termica. In questo modo la goccia appare “fluttuare” sulla superficie, finché il calore non si diffonde nel resto della goccia, facendola così evaporare completamente. La temperatura in cui questo fenomeno accade viene definita Leidenfrost. L’esperimento mira a scoprire come la densità di un liquido influenza il suo comportamento alla sua temperatura Leidenfrost. Analizzando le gocce d’acqua a diverse concentrazioni di cloruro di sodio e a differenti temperature, si osserva come l’effetto Leidenfrost avvenga sempre alla stessa temperatura (220°C), ma diminuisca con l’aumentare della concentrazione. Ciò è particolarmente interessante da studiare soprattutto per quanto riguarda gli aspetti applicativi. Per esempio, il moto delle gocce può portare alla produzione di nuove tecnologie automotrici che sfruttano la loro energia cinetica, controllabile attraverso variazioni di temperatura della superficie. Le proprietà stesse del liquido usato e della sua densità possono essere sfruttate, per esempio usando l’acqua e le sue proprietà termiche per creare dei termosifoni dal riscaldamento indipendente, come viene studiato all’università di Bath. La versatilità del fenomeno, rispetto alle potenziali sue applicazioni pratiche, è dunque un elemento caratterizzante, e sebbene non venga molto studiato, l’autore del progetto è sicuro che potrebbe portare a sviluppi tecnologici innovativi. Gli abbiamo chiesto di approfondire gli argomenti salienti del suo studio.
L’esperimento si basa sull’effetto Leidenfrost: un fenomeno visibile quando un liquido, esposto a temperature molto maggiori del suo punto di ebollizione, non evapora poichè si  forma uno strato di vapore isolante sotto la goccia del liquido stesso. La formazione di questo strato di vapore allunga pertanto il tempo che la goccia impiega ad evaporare. Ciò dipende molto dalle impurità nel liquido stesso, che interferiscono con questo strato isolante. Attraverso il mio esperimento volevo analizzare la relazione tra la concentrazione di impurità in un liquido e il tempo impiegato dalla goccia ad evaporare completamente. Più specificatamente, ho misurato il tempo di evaporazione di gocce d’acqua esposte a  temperature elevate a diverse concentrazioni di cloruro di sodio. Dopo una minuziosa raccolta dati, durante la quale le variabili esterne sono state controllate il più possibile, e indicando in un grafico il tempo di evaporazione e la concentrazione di cloruro di sodio, ho potuto concludere che la relazione tra le due variabili è esponenziale, ed è espressa da:
T​leid​=A*10​Bx​+C
[La formula è correttamente indicata nel riquadro con la foto di Francesco Tatulli. NdR] Dove: ● A, B, C sono delle costanti: ○ A= 89,02+/- 2,874 ○ B= -0,2490 +/- 0,00285 ○ C= 6,787 +/- 1,762 ● T​leid​ indica il tempo impiegato ad evaporare alla temperatura Leidenfrost.
In scala logaritmica, la rappresentazione grafica della formula  log ((Tleid−C)/A) = Bx
[La formula è correttamente indicata nel riquadro con la foto di Francesco Tatulli. NdR] è una retta, che mostra chiaramente come le impurità dell’acqua hanno una significativa influenza sull’effetto Leidenfrost. All’aumentare della concentrazione ​x di cloruro di sodio nella mia soluzione, il valore del logaritmo diminuisce (a causa della costante negativa B), e ciò ha senso solo se anche l’argomento del logaritmo sta diminuendo, i.e. il tempo di evaporazione diminuisce. Dopo un’attenta analisi di errori sistematici e casuali e della loro influenza sui miei dati, ho potuto dunque concludere che il mio esperimento dimostra come l’aumento della concentrazione di sale nell’acqua fa diminuire il tempo impiegato ad evaporare alla temperatura Leidenfrost. Altri studi (Brown University, Tsinghua University) hanno mostrato che impurità all’interno di un liquido interferiscono con la formazione dello strato di vapore. In base ad altre osservazioni durante la raccolta dati, quali la formazione di piccoli depositi di sale sulla piattaforma riscaldante dopo l’evaporazione della goccia, risulta che il cloruro di sodio si comporta come una forma di impurità all’interno del liquido, e che più l’impurità è presente, minore sarà l’effetto Leidenfrost osservabile (fino ad una concentrazione del 10%, alla quale il fenomeno risulta essere assente). Si può dunque concludere che le impurità e le particelle contaminanti di un liquido rivestono un ruolo chiave per quanto riguarda questo fenomeno, come indicato dalle formule precedenti. Approfondire questa relazione è interessante soprattutto per quanto riguarda le potenziali applicazioni di questo fenomeno per nuove tecnologie che, tuttavia, richiederebbero che l’effetto avvenga su scala maggiore possibile. Lo studio del moto delle gocce potrebbe favorire lo sviluppo di nuove tecnologie basate sulla automotricità, controllabile attraverso variazioni di temperatura della superficie. Data la mancanza di forze d’attrito tra la superficie e la goccia, l’Università di Twente sta infatti studiando come cambiamenti di temperatura della superficie su cui la goccia naviga possano farla accelerare. Questi stessi ricercatori mirano a sfruttare questo fenomeno per creare mezzi di trasporto di materiale biologico, quali cellule o proteine, che non corrano rischio di venire contaminati da materiale esterno durante il trasporto. L’efficacia di questo metodo di trasporto è anche data dal fatto che l’automotricità delle gocce non è causata soltanto da variazioni di temperatura della superficie e dalla mancanza di attrito che permette alla goccia di muoversi liberamente, ma anche da correnti all’interno della goccia stessa che la fanno rotolare in diverse direzioni, come studiato dalla École Polytechnique di Parigi, senza bisogno di forze esterne. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di nuove risorse energetiche basate sulla autopropulsione, come viene studiato alla Princeton University in New Jersey. Infine, all’Università di Bath vengono studiate le proprietà termostatiche dell’effetto Leidenfrost per creare delle tecnologie termostabili basate su sistemi di raffreddamento che non richiedano energia elettrica, per esempio all’interno di termosifoni. Sfruttando le proprietà di raffreddamento dell’acqua ed il loro moto causato dall’ effetto Leidenfrost, queste si possono infatti muovere autonomamente verso le zone di temperatura eccessiva per mantenere una temperatura costante. Questo effetto può dunque portare a tecnologie per il controllo del trasferimento del calore, che può avere grande importanza nella biofisica, per esempio per la crioconservazione di cellule sanguigne o staminali, processo che richiede temperature molto basse.
Francesco Tatulli