Sotto il cofano: la chimica delle automobili - Cynthia Chubbuck

Per guardare la lezione completa: http://ed.ted.com/lessons/under-the-hood-the-chemistry-of-cars-cynthia-chubbuck

Ci sono più di un miliardo di auto sulla terra, che portano in giro le persone da un punto A a un punto B. Ma le auto non sono solo un mezzo di trasporto; sono anche un ottimo strumento per una lezione di chimica. Cynthia Chubbuck illustra la chimica che avviene nei motori delle nostre auto, in modo che il motore non diventi troppo caldo o troppo freddo.

Lezione di Cynthia Chubbuck, animazione di FOX Animation Domination High-Def.

Oggigiorno ci sono più di un miliardo
di auto nel mondo

che portano le persone dove vogliono,

ma le auto non sono solo
un mezzo di trasporto,

sono anche una lezione di chimica
che va spiegata.

Il processo di accensione dell'auto
inizia nei cilindri del motore,

dove uno spruzzo di carburante
proveniente dall'iniettore

e un colpo d'aria proveniente
dalla valvola di immissione

si mescolano prima di essere innescati
da una scintilla,

formando così dei gas che si espandono
e fanno pressione sul pistone.

Ma la combustione
è una reazione esotermica,

ovvero rilascia calore.
Molto calore.

Mentre parte di questo calore viene dispersa
attraverso il tubo di scappamento,

il calore che rimane nel blocco motore

deve essere riassorbito,
trasportato e dissipato

per evitare che le componenti metalliche
si deformino o fondano.

Ecco che entra in gioco il sistema
di raffreddamento.

Viene fatto circolare un liquido
attraverso tutto il motore,

ma quale tipo di liquido
può assorbire quel calore?

L'acqua sembrerebbe una scelta ovvia,

dopotutto, il suo calore specifico,

la quantità di energia richiesta
per alzare la temperatura

di una data massa di un grado Celsius,

è maggiore di quello di qualsiasi
altra sostanza comune.

E c'è molta energia calorifica
da assorbire.

Ma se si usa l'acqua,
si possono creare dei problemi.

Il suo punto di congelamento è 0 °C.

Dato che l'acqua si espande
quando ghiaccia,

un inverno rigido causerebbe la rottura
del radiatore e il blocco del motore,

una prospettiva terrificante.

E considerando che temperatura
raggiungono i motori,

il punto di ebollizione dell'acqua,
pari a 100 °C,

creerebbe una situazione in cui
chiunque finirebbe cotto al vapore.

Perciò, invece dell'acqua,
utilizziamo una soluzione,

un composto omogeneo
di un soluto e un solvente.

Alcune caratteristiche della soluzione
varieranno in base alla quantità di soluto.

Vengono chiamate proprietà colligative,
e, fortunatamente, implicano

la diminuzione del punto di solidificazione
e l'elevazione del punto di ebollizione.

Le soluzioni hanno dunque
un punto di congelamento minore

e un punto di ebollizione maggiore
rispetto al solvente puro,

e più alta è la concentrazione di soluto,
maggiore è la differenza.

Ma allora,
perché cambiano queste proprietà?

Prima di tutto, dobbiamo capire
che la temperatura è una misura

della energia cinetica media
di una particella.

Più freddo è il liquido,
meno energia cinetica è presente,

e le molecole si muovono più lentamente.

Quando un liquido ghiaccia,
le molecole rallentano così tanto

che la forza di attrazione di ognuna
reagisce a quella delle altre,

andando a formare una struttura
a cristallo.

La presenza di particelle di soluto
intervengono in questa dinamica,

così che una soluzione
richiede temperature più basse

affinché il fenomeno avvenga.

Allo stesso modo, quando un liquido bolle,

produce bolle piene di vapore,

ma affinchè si formi una bolla,
la pressione del vapore deve essere pari

a quella dell'aria che spinge
contro la superficie del liquido.

Quando il liquido si riscalda,
la pressione del vapore aumenta

e quando diventa pari a quella
della pressione atmosferica,

si formano le bolle
e avviene l'ebollizione.

La pressione del vapore di una soluzione
è inferiore a quella del solvente puro,

perciò deve essere riscaldata
a temperature ben più alte

prima di uguagliare
quella dell'ambiente circostante.

Un ulteriore vantaggio è che
nel radiatore la pressione

è mantenuta superiore
a quella atmosferica,

alzando così il punto di ebollizione
di altri 25 °C.

La soluzione comunemente usata per
il sistema di raffreddamento di un'auto

è una miscela al 50:50
di glicole etilenico e acqua,

che congela a -37 °C
e bolle a 106 °C.

Se la miscela è composta
in proporzione 70 : 30,

il punto di congelamento
passa a -55 °C,

mentre quello di ebollizione
passa a 113 °C.

Come potete vedere,
più glicole etilenico si aggiunge,

più protezione si ottiene,
ma allora perché non metterne di più?

Si sa che non si può mai
pretendere troppo,

infatti a proporzioni maggiori,

il punto di congelamento
comincia a tornare indietro.

Le proprietà della soluzione si spostano
verso quelle del glicole etilenico,

che congela a -12,9 °C,

una temperatura maggiore rispetto
a quella ottenuta con la soluzione.

La soluzione scorre nel motore,
assorbendo il calore lungo il tragitto.

Quando raggiunge il radiatore,
viene raffreddata da un ventilatore,

e dall'aria che entra attraverso
il cofano dell'auto

prima di rientrare in circolo.

Quindi, un sistema
di raffreddamento efficace e sicuro

deve avere un alto calore specifico,

un basso punto di congelamento
e un alto punto di ebollizione.

Ma invece di cercare in tutto il mondo

il liquido perfetto
per risolvere il problema,

possiamo crearci da soli
la giusta soluzione.