In natura, il processo che vede il trasferimento di calore da un corpo più caldo a un corpo più freddo, avviene spontaneamente e senza dispendio di energia esterna. Il trasferimento in questione, comporta una cessione di calore (quindi di energia in transito) ed è tanto più rapido e marcato quanto più elevata è la differenza di temperatura tra i due corpi, arrestandosi, infine, quando si raggiunge l’equilibrio termico, ossia la parità di temperatura. La comprensione del processo indicato fin qui, risulta immediatamente più limpida nella considerazione dell’enunciato esposto dal fisico tedesco Rudolf Clausius (1822-1888), il quale, nella considerazione di altri principi formulanti la medesima considerazione, esprime l’inesorabile aumento dell’Entropia, quale grandezza indicante il grado di “disordine” molecolare dell’Universo. L’enunciato recita:

E’ impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia far passare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo.

L’espressione “unico risultato” risulta essenziale per la comprensione del meccanismo regolante il funzionamento della macchina frigorifera.

Come funziona il frigorifero

Un frigorifero, infatti, preleva calore da un recipiente (il comparto interno isolato termicamente) che è freddo e lo riversa nell’ambiente esterno circostante, caratterizzato da una temperatura superiore.

A questo punto è opportuno sottolineare che l’ultimo processo descritto NON esprime l’unico risultato della trasformazione, poiché per garantire il funzionamento del frigorifero è stata fornita energia elettrica dall’esterno, con il conseguente trasferimento di energia, quindi di calore, avvenuto in maniera tutt’altro che spontanea.

Le macchine frigorifere sono sistemi in cui il fluido evolvente, ossia la sostanza che subisce le trasformazioni, è chiamato refrigerante.

Esistono, a parità sostanziale di proprietà fisiche, diversi tipi di refrigerante: in passato il fluido evolvente più diffuso era “Freon“; impiegato nella costruzione dei frigoriferi sin dal 1970, fu bandito poiché inquinante e particolarmente aggressivo nei confronti dell’ozono atmosferico, e per tale motivo soppiantato dal meno dannoso R134a (CH2FCF3).

Il ciclo termodinamico

Nel frigorifero il R134a subisce una successione ciclica di trasformazioni all’interno dei diversi componenti dell’impianto, in modo che, una volta ottenuto l’effetto utile (in questo caso il raffreddamento progressivo del contenuto del frigorifero), il refrigerante in questione ritorni alle condizioni iniziali, compiendo, di fatti, il cosiddetto ciclo termodinamico.

Un frigorifero è costituito, in sostanza, da:

1. un ambiente chiuso che deve essere raffreddato
2. un tubicino nel quale fluisce il refrigerante,
3. un compressore alimentato ad energia elettrica
4. una valvola di laminazione, applicata precisamente tra condensatore e evaporatore.

Il compressore volumetrico, costituito da uno stantuffo che scorre all’interno di un cilindro, comprime il gas aumentandone, oltre che la temperatura, la pressione, scorrendo in un secondo momento all’interno del condensatore, uno scambiatore di calore dove il tubicino in cui fluisce il refrigerante è avvolto su se stesso a serpentino (questi multipli ripiegamenti del condotto massimizzano lo scambio termico, quindi la cessione di calore all’ambiente esterno).

Una volta completato il passaggio all’interno del condensatore, il fluido, che prima era gas, ormai raffreddato diviene liquido saturo (ossia senza alcuna traccia della fase vapore).

Il refrigerante, in questa fase liquida, scorre attraverso la valvola di laminazione “L” che costituisce, semplicemente, una strozzatura del condotto in cui fluisce il liquido; a causa della repentina riduzione della sezione di passaggio, la pressione alla quale si trova il liquido, cala improvvisamente e proprio a causa delle particolari proprietà fisiche del refrigerante, questa variazione è in grado d’indurre il processo di evaporazione.

Questa trasformazione, attivata a valle della valvola di laminazione, procede e si completa all’interno dell’evaporatore posto all’interno del frigorifero, ossia l’ambiente da raffreddare; il processo di evaporazione del refrigerante comporta una sottrazione di calore all’interno dello scomparto del frigorifero, che a questo punto risulta quindi più freddo dell’ambiente esterno.

Una volta completato il passaggio di fase, il vapore, ormai saturo (ossia privo di tracce di liquido) passa all’interno del compressore dove è portato ad una pressione più alta, questo permette il ripristino delle condizioni iniziali, concludendo, dunque, il ciclo termodinamico.

La macchina frigorifera per funzionare richiede un certo dispendio di energia elettrica tanto maggiore quanto più la temperatura esterna al frigorifero è elevata. Per questo motivo, paradossalmente, il rendimento della macchina è più basso in estate, giacché la rapidità con cui il fluido refrigerante cede calore all’ambiente circostante è minore che in inverno. Questo comporta un sensibile aumento dei consumi e quindi una lievitazione dei costi in bolletta proprio nel periodo dell’anno in cui il frigorifero è indispensabile. Per ottimizzare i consumi è inoltre importante conservare e disporre correttamente i cibi nel frigorifero.

Le differenze tra diamante e grafite a livello fisico e chimico

Tutte le forme allotropiche del carbonio (diamante incluso) rientrano nella categoria dei solidi covalenti, ossia quei materiali caratterizzati microscopicamente dalla presenza di cristalli, all’interno dei quali è possibile osservare dei siti popolati da atomi legati gli uni agli altri attraverso l’intenso legame covalente; tale tipo di legame atomico è il più forte esistente ed ha la particolarità di non essere di natura elettrostatica, come invece avviene nel caso del legame ionico tra sodio (Na) e cloro(Cl) nel composto NaCl (sale da cucina).

L’energia necessaria a rompere i legami, cioè le forze esistenti tra gli atomi, risulta essere molto elevata, tant’è che materiali come il diamante presentano un’elevatissima temperatura di fusione e una straordinaria durezza, tanto da occupare, con quattro volte la durezza assoluta del corindone (altro minerale), il primo posto nella scala di Rosiwal (evoluzione della scala di Mohs, utilizzata per identificare la durezza di un minerale).

Resta da chiedersi perché diamante e grafite, entrambi costituiti da solo Carbonio, siano così differenti non solo nell’aspetto, ma soprattutto in termini di proprietà meccaniche.

Entrambi i solidi (diamante e grafite) si differenziano principalmente nel tipo di legame covalente e nella disposizione di atomi all’interno della struttura cristallina: nel cristallo di diamante, il carbonio è disposto lungo i quattro vertici di un tetraedro e TUTTI gli elettroni sono impiegati nel formare dei legami, mentre nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti in strati di anelli esagonali e NON tutti gli elettroni formano lo stesso tipo di legame, ma vi è una coppia di elettroni in grado di formare un debole legame in direzione perpendicolare agli strati reticolari.

Questo debole legame tra gli strati di atomi, in quella conformazione particolarmente facile da individuare grazie alla caratteristica forma esagonale, giustifica l’estrema facilità con cui la grafite si sfalda (si pensi alla mina della matita, dove scrivendo non si fa altro che lasciare strati di grafite sul foglio), mentre il diamante è utilizzato per la sua proprietà abrasive, in ogni misura derivanti dall’eccessiva durezza: per sfaccettare un diamante, infatti, è necessario usare un altro diamante.

Come nascono i diamanti

Tuttavia, la grafite può trasformarsi in diamante in determinate condizioni di temperatura e pressione, questa trasformazione vede il coinvolgimento di un processo che avviene naturalmente all’interno del mantello terrestre, dove tali grandezze raggiungono valori estremi. Una volta formatosi nelle profondità del nostro pianeta, il diamante, riaffiora nella crosta terreste grazie ai movimenti tellurici che avvengono nel corso di millenni.

E’ inoltre possibile la creazione di diamanti artificiali, ma questi ultimi sono utilizzati specialmente per le lavorazioni degli acciai particolarmente tenaci nelle macchine utensili (come tornitura o lucidatura).

E’ dunque la rarità del diamante, la sua struttura atomica, a definirne la preziosità e pertanto il maggior valore in termini economici sul mercato mondiale. Gioiellieri e orefici – che adornano collier e parure – lo sanno bene.

Il libro consta di  249 pagine che si leggono d’un fiato, perché l’autore, con uno stile semplice, ci racconta come le tecnologie abbiano cambiato le nostre vite e stiano influenzando sempre di più il nostro destino. Mark Miodownik, prendendo spunto dalle cose che ci circondano,  racconta la storia di alcuni materiali come l’acciaio, la plastica, la carta, il vetro, il grafene e l’aerogel.

La sostanza delle cose: il libro

L’autore narra la complessità dei materiali attraverso un linguaggio e uno stile narrativo che ricordano l’autobiografia e in parte il romanzo. Attraverso il suo  racconto comprendiamo l’identità complessa dei materiali. La sua capacità divulgativa regala al lettore un viaggio stimolante in cui ogni materiale che accompagna la nostra vita diventa un protagonista stimolante.

Prendiamo ad esempio il cemento, la cui scoperta si deve ai romani, che lo hanno utilizzato un po’ dappertutto, come ad esempio nel Pantheon, la cui cupola è costituita da calcestruzzo rinforzato. Ma il cemento, materiale comune alla base di moltissime nostre abitazioni, non ha una genesi tanto semplice, anzi la sua composizione è ricca di altri materiali come carbonato di calcio, silicati, acqua, ma anche rocce ricche di alluminio e ferro.

Ogni materiale non ha un’unica composizione, anzi ogni singolo elemento si lega e si scioglie in altri, su diversi livelli e con diverse proporzioni. Come ad esempio l’oro che ha bisogno del rame per diventare più duro e resistente. Le strutture che compongono i materiali si incastrano e uniscono fra loro in una scala di grandezze che ci porta dal visibile all’invisibile.

Ogni materiale, ci spiega l’autore Mark Miodownik, è composto di parti talmente piccole che sono necessari super microscopi per individuarle. E queste strutture o parti del materiale sono governate da forze intensissime che riparano e congiungono altre parti del materiale stesso.

L’autore ci trascina così in un’analisi dell’infinitamente piccolo che oltre a stupire affascina per le sue infinite applicazioni. Ma non si ferma a questo l’ingegnere inglese, che vanta una conoscenza dei materiali notevole. Il saggio, infatti, ci trasporta in un futuro in cui gli uomini saranno formati da materiali sintetici che ricostruiranno organi, ossa, capelli e forse il cervello, sconvolgendo il tema stesso dell’identità umana. In realtà la scienza, che non vede confine, può, attraverso le sue esplorazioni, scoprire elementi che chiarificano l’origine della vita e che spiegano, grazie alla natura degli atomi, come si costituisce la realtà.

Le riflessioni che nascono dalla lettura del libro

Ciò che però nemmeno i materiali e il loro studio spiega è la vera natura della nostra coscienza che contiene il mistero della vita. Per fortuna lo spirito e la coscienza, due temi molto dibattuti nell’arco degli ultimi 5000 anni, non possono essere analizzati e studiati al microscopio e soprattutto non possono essere giudicati con l’occhio di chi desidera scomporre e ricomporre un materiale per comprenderne la natura più intima.

Il libro “La sostanza delle cose” di Miodownik è un testo interessante, scritto con un piglio da scrittore che vuole tenere i propri lettori attaccati alla pagina, grazie ad esempi suggestivi e soprattutto grazie all’utilità di un ragionamento che ci spiega come è fatta la sostanza degli oggetti che utilizziamo tutti i giorni senza rendercene più conto.

Inoltre, il libro contiene una spiegazione storica dell’evoluzione degli oggetti che identifica lo sviluppo straordinario che il progresso scientifico nel campo dei materiali ha raggiunto da quando l’uomo ha cominciato a fabbricare i primi utensili.

Attraverso la fotosintesi clorofilliana, le piante producono glucosio (zuccheri) a partire da acqua e anidride carbonica, utilizzando la luce solare come energia.

Linfa grezza e linfa elaborata

Acqua e sali minerali compongono la linfa grezza, che viene assorbita dalle radici della pianta per poi risalire fino alle foglie attraverso il fusto. Le foglie utilizzano la linfa grezza, l’anidride carbonica contenuta nell’atmosfera e la luce del Sole per produrre il nutrimento per la pianta, ovvero la linfa elaborata, composta da zuccheri.

Come avviene la fotosintesi clorofilliana

Il termine “fotosintesi clorofilliana” è composto da: foto, ovvero luce; sintesi, intesa come combinazione di più sostanze, e clorofilliana, aggettivo che deriva da clorofilla, il pigmento che conferisce alle foglie il colore verde. La concentrazione di clorofilla influisce anche sull’ingiallimento delle foglie in autunno.

La fotosintesi clorofilliana avviene quando la linfa grezza sale attraverso i canali linfatici fino alle foglie, dove la clorofilla assorbe la luce proveniente dal Sole e ne trattiene l’energia, trasformandola in energia chimica che, a sua volta, trasforma l’anidride carbonica presente nell’atmosfera in zuccheri (linfa elaborata), nutrimento fondamentale utilizzato dalla pianta per crescere, fiorire e produrre semi e frutti. La fotosintesi clorofilliana avviene solo di giorno, poiché necessita della luce del Sole.

Produzione di ossigeno

Nel corso del processo di fotosintesi, viene prodotto anche l’ossigeno, elemento indispensabile alla vita, che viene liberato nell’atmosfera attraverso gli stomi, piccoli fori presenti sulle foglie. Per questo, le piante sono di vitale importanza per il nostro pianeta e dobbiamo imparare a proteggerle. Le piante, quindi, assorbono l’anidride carbonica presente nell’aria e rilasciano ossigeno. Questo processo si è rivelato fondamentale per la storia della vita sulla Terra: con il passare dei millenni, la concentrazione di ossigeno negli oceani e nell’atmosfera è aumentata sempre più e questo ha permesso che si creasse aria respirabile dagli esseri viventi, che hanno così potuto lasciare progressivamente l’ambiente marino per colonizzare quello terrestre.

Autotrofia ed eterotrofia

Le piante verdi, essendo organismi in grado di fabbricarsi da soli il nutrimento, sono dette autotrofe, cioè che si nutrono da sé. Gli altri organismi viventi che si nutrono di sostanze organiche elaborate da altri esseri viventi sono detti eterotrofi, cioè che si nutrono da altri, come gli animali, i funghi ed i batteri.