Perché non possiamo mettere il ghiaccio nel microonde

Ovvero, perché scongelare il cibo è difficile: il ghiaccio e il forno a microonde non sono mai andati d’accordo. Se mettessimo dei cubetti di ghiaccio nel forno, l’onda elettromagnetica rimbalzerebbe sulle facce dei cubetti stessi e sulle pareti del forno fino a tornare al klystron* che l’ha emessa, con il rischio di danneggiarlo. Per questo stesso motivo non si deve accendere il forno vuoto: il forno è progettato in maniera che l’onda elettromagnetica sia assorbita da qualcosa al suo interno.

Per provare in prima persona il disprezzo che il ghiaccio prova per le microonde, possiamo mettere dei cubetti in una tazza e dell’acqua in un altro contenitore e metterli entrambi nel microonde. Dopo un minuto l’acqua sarà bollente o quasi mentre i cubetti saranno ancora lì, imperturbati, o quasi.

Le microonde scaldano l’acqua agendo sul dipolo elettrico che ha ciascuna molecola e non sui legami molecolari come spesso si legge. Questi ultimi sono sensibili alle frequenze del vicino infrarosso, ossia a lunghezze d’onda (L) tra 0.75 μm e 1 μm, mentre il forno a microonde ha L=12 cm (tra l’altro i fori sulla porta del forno sono posti a una distanza inferiore della lunghezza d’onda in maniera che questa sia riflessa dal metallo e non possa uscire).

Schema di una molecola d’acqua. Gli elettroni sono più vicini all’atomo di ossigeno, creando un dipolo elettrico, con un eccesso di carica positiva (in rosso, indica una carenza di elettroni) dal lato degli atomi di idrogeno e un eccesso di carica negativa (in blu, eccesso di elettroni) vicino all’atomo di ossigeno. Il dipolo elettrico va dalla carica negativa a quella positiva ed è indicato dalla freccia blu.

Un dipolo elettrico può essere pensato come una calamita a barra, in cui i poli sono cariche elettriche stazionarie (mentre il dipolo magnetico è generato da cariche elettriche in movimento). La molecola d’acqua si forma con la condivisione degli elettroni dei due atomi di idrogeno con l’ossigeno. Questo –  più prepotente – si  appropria degli elettroni per più tempo di quanto sarebbe educato (l’ossigeno si giustifica dicendo che è maggiormente elettronegativo per cui gli orbitali atomici della molecola hanno una distribuzione di probabilità asimmetrica e centrata su di lui, ma resta il fatto che l’ossigeno è un cafone). Ciascuna molecola d’acqua è quindi debolmente positiva in prossimità dei due atomi di idrogeno e debolmente negativa vicino a quello di ossigeno. Risulta perciò dotata di un piccolo momento di dipolo. Quando viene colpito dalle microonde, il dipolo elettrico delle molecole d’acqua viene agitato in semi-oscillazioni orarie-antiorarie, con 2.45 miliardi di microscopici ‘togli la cera –metti la cera’ al secondo. Le molecole d’acqua si scaldano per attrito con quelle vicine, trasformando l’energia elettromagnetica in calorica con estrema rapidità ed efficienza.

Abbassando la temperatura, le oscillazioni termiche delle molecole d’acqua si riducono e i dipoli elettrici tendono ad allinearsi regolarmente in una struttura cristallina tramite un legame intermolecolare (legame idrogeno) che  la rende molto stabile (infatti ci vogliono 330 Joule per fondere un grammo di acqua, o 80 calorie) e refrattaria alle microonde. Per scongelare qualcosa conviene quindi regolare il forno al minimo della potenza per agire gradualmente sui liquidi in esso contenuti e far sì che siano loro a sciogliere il ghiaccio.

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* Un Magnetron è una piccola camera a vuoto in cui vengono accelerati elettroni tra due forti magneti permanenti: gli elettroni si impacchettano nel campo magnetico emettendo radiazione elettromagnetica a frequenza ben definita.

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Perchè il ghiaccio raffredda le bevande

(apparsi anche su scientificast)

Perché il ghiaccio raffredda le bevande

La risposta che è dentro ognuno di noi è: “perché il ghiaccio è freddo!”, ma è (come insegnava Guzzanti) sbagliata.

O almeno incompleta, dato che il motivo principale è perché è solido. Se infatti in un bicchiere d’acqua a temperatura ambiente mettiamo del ghiaccio, questo si scioglie rimanendo a zero gradi centigradi. L’acqua fornisce calore – raffreddandosi – per far passare il ghiaccio dallo stato solido a quello liquido. L’energia ceduta negli urti delle molecole di acqua a quelle del ghiaccio serve a rompere la struttura cristallina in cui le molecole di H2O sono imprigionate.

Questo legame intermolecolare è molto più forte di quello di agitazione termica dell’acqua: servono infatti 79.6 calorie per sciogliere un grammo di ghiaccio, ma ne basta una per scaldare un grammo d’acqua di un grado. Nei passaggio di stato la temperatura dei corpi non cambia e quindi il 92% del raffreddamento di una bevande è dovuto al calore ceduto per fondere il ghiaccio e l’8% va nello scaldare il ghiaccio fuso da 0ºC alla temperatura di equilibrio (le formule pizzose sono sotto). Questa quantità potrebbe essere portato a zero, ad esempio chiudendo in ghiaccio in una busta di plastica e mettendo la busta in un colino da tè.

Facendo scorrere l’acqua nella tazza questa scioglie il ghiaccio ma non ha tempo per scaldare l’acqua appena fusa. La bevanda è quindi fredda ma un po’ annacquata, cosa che fa impazzire i puristi del whisky (infatti hanno inventato una specie di orribili cubetti di plastica con un liquido all'interno).

Oltre allo stato liquido ed aeriforme, l’acqua ha diciassette tipi diversi di ghiaccio: oltre a quello classico, in diverse condizioni di pressione e temperatura le molecole si possono disporre secondo diverse strutture cristalline. Lo stato stabile dell’acqua a temperatura ambiente è quello liquido e sotto 0ºC è quello solido. Si può avere acqua superraffreddata, che congela istantaneamente appena toccata. A questo punto è obbligatorio citare il ghiaccio-9, forma fantascientifica di ghiaccio creata da Kurt Vonnegut in Cat’s cradle (ghiaccio 9 in italiano). Nel romanzo, il geniale autore ipotizzava che potesse esistere una struttura di ghiaccio che a temperatura ambiente fosse più stabile della forma liquida.

Ponendo il ghiaccio-9 a contatto con l’acqua, essa si congelerebbe istantaneamente anche a temperatura ambiente, con devastanti conseguenze per la Terra. Il ghiaccio-9 non esiste, ma la ricerca dello stato fondamentale della materia è ancora aperta. Infatti una delle ipotesi è che lo stato base sia costituto da strangelets, agglomerati di quark la cui energia fosse più bassa di quella della materia ordinaria. Al momento non si ha una verifica sperimentale di questo ipotizzato stato della materia, anche se al momento di attivare LHC, l’acceleratore del Cern di Ginevra, ci furono un po’ di polemiche sulla possibilità che – come il ghiaccio 9 – potessero distruggere il mondo.

In realtà gli urti dei raggi cosmici avvengono ad energie mille volte più alte di quelli di LHC al Cern per cui on corriamo rischi. La materia strana nucleare potrebbe comunque trovarsi in stelle di quark o al centro delle stelle di neutroni.
(reglog da scientificast.it)

Formule pizzose:

Neve a Tokyo, catenarie e valanghe

Il 14 gennaio Tokyo e buona parte del Kanto sono state interessate da una furiosa quanto splendida nevicata. Fortunatamente la giornata era festiva (in onore dei giovani che diventano maggiorenni) e quindi il traffico ed i ritardi pomeridiani dei treni non hanno avuto grosse conseguenze. 

Al Riken (prefettura di Saitama), dove ho incontrato vari colleghi provenienti dall'estero, ha nevicato per  quasi tutto il giorno.  Il peso della neve accumulatasi in uno dei muri di fronte ha cominciato a farla piegare su se stessa.

Catenaria 'aliena'

 La forma a festone mostrata in foto è quella di una catenaria, ossia quella di una catena (o un festone, appunto) appesa per le estremità (La pagina di wikipedia ha degli splendidi esempi e foto).
Ciascun elemento, finito e pari all'anello della catena, o infinitesimo e corrispondente ai cristalli di neve, è attratto verso il basso e vincolato dagli elementi vicini. La forma sembra quella di una parabola ma  solo per segmenti corti: per catene lunghe la differenza diventa marcata e la forma è quella di un coseno iperbolico (vedi sotto l'equazione da Wolfram Alpha) detta anche catenaria.

Forma a catenaria in una valanga
di piccole dimensioni (da qui)

Questo è anche l'aspetto che hanno le valanghe di debole coesione, dette anche "a pera" per la loro form oblunga. Anche in questo caso è il peso della neve che si accumula su un piano inclinato e con basso attrito a deformare lo strato nevoso sino a provocare la slavina. Le valanghe possono avere varie forme e meccaniche di distacco, a seconda della stratificazione, delle modalità di accumulo dei cristalli e dei vari cicli termici.

Equazione della catenaria (da qui)

Altri due festoni di neve