Spesso capita di soffiare sui piatti per raffreddarli. Capita anche che ci si voglia riscaldare le mani cacciando aria dalla bocca. Non tutti se ne saranno accorti, ma l’aria soffiata presenta una temperatura percepita all’esterno diversa a seconda dell’apertura della bocca.
Premesse
È importante premettere che non abbiamo a che fare con studi teorici, bensì un caso reale, quindi i parametri in gioco sono sicuramente maggiori di quelli che varranno esposti in questo articolo. Quello che si vuole ottenere con questa spiegazione è sfruttare qualcosa di estremamente pratico per definire alcuni utili principi della fisica. Per la stessa ragione, le approssimazioni applicate durante lo sviluppo di questo articolo sono utili a definire un fenomeno in più parti semplificate; altrimenti troppo approfondito per quello che realmente interessa noi.
Qual è il motivo?
Molti trattano questo argomento impropriamente, parlando di semplice evaporazione. Non è un processo di scambio di calore (quello che avviene nei gas è un movimento di materia, causata dalla differenza di temperatura e il calore si trasporta sotto forma di scambio di particelle), ma possiamo vederlo semplificativamente come un fenomeno noto come trasformazione adiabatica (può essere espansione adiabatica o compressione adiabatica). Una trasformazione adiabatica è una trasformazione senza scambi di calore, per cui, secondo il primo principio della termodinamica ΔU = Q – L -> essendo Q = 0 -> ΔU = – L. L’equazione appena illustrata ci dice che la variazione di energia interna non dipende dal calore, bensì dal lavoro scambiato dal gas con l’ambiente.
- ΔU è la variazione di energia interna;
- Q il calore;
- L il lavoro.
Ricordiamo che nel caso di compressione adiabatica si sta verificando uno scambio di lavoro dall’ambiente esterno al nostro sistema. Per convenzione, abbiamo L < 0 e sostituendo in ΔU = – L avremo che ΔU > 0. L’energia interna ΔU è una funzione di stato, dipende nel nostro caso principalmente dalla temperatura, e quindi la temperatura del gas è aumentata.
Per intenderci meglio, entriamo maggiormente nel dettaglio parlando del processo di raffreddamento. L’effetto fondamentale per la descrizione dell’esperienza osservata è l’effetto di Venturi (conseguenza del principio di Bernoulli), ovvero la pressione di una corrente fluida aumenta con il diminuire della velocità. Quando creiamo un canale stretto con la bocca la pressione diminuisce e la velocità aumenta; il contrario avviene con apertura del canale più ampio.
Cosa significa questo?
L’aria risulterà più fredda con un’apertura della bocca minore, perché la velocità di uscita è maggiore, significa che è avvenuta una trasformazione dell’energia per mantenere valido il principio di conservazione dell’energia. La pressione è diminuita, aumenta la velocità. Questa è un’espansione adiabatica e, quindi, il lavoro di espansione è ottenuto a spese dell’energia interna del sistema, implicando il raffreddamento del gas (avendo prima definito l’energia interna come funzione di stato).
La ragione per cui questo principio è fondamentale al fine della comprensione dell’articolo è che la velocità di uscita influenza la miscibilità con l’aria dell’ambiente. Si pone come noto che l’aria uscente dai polmoni è sempre più calda dell’aria che ci circonda. Se l’aria che abbiamo soffiato raggiunge un oggetto velocemente, allora, molta dell’aria dell’ambiente si miscelerà con la nostra e risulterà una percezione di temperatura fredda. Il contrario avviene quando la velocità dell’aria soffiata è minore, quindi sarà minore l’aria dell’ambiente con cui si miscelerà, percependo la temperatura come calda.
Semplice esperimento
Per comprendere l’idea secondo la quale la temperatura dell’aria emessa varia in funzione della distanza dalla sorgente (la bocca), metti la mano molto vicina alla bocca e soffia variando l’apertura. Modifica la distanza e poni l’attenzione sulla temperatura percepita. Ti accorgerai che, per entrambi i fenomeni, l’aria risulterà più calda quando la mano sarà molto vicina alla sorgente (addirittura potrebbe essere percepita come uguale a distanza minima nel caso di canale stretto o largo) e che percepirai una variazione significativa della temperatura dell’aria distaccando la mano.
Articoli di riferimento:
- https://physics.stackexchange.com/questions/7868/why-does-the-air-we-blow-exhale-out-from-our-mouths-change-from-hot-to-cold-depe
- https://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Venturi
- https://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli%27s_principle
- https://www.chimica-online.it/fisica/compressione-ed-espansione-adiabatica.htm
- https://www.treccani.it/enciclopedia/trasformazione-adiabatica_%28Enciclopedia-Italiana%29/
- https://www.toppr.com/guides/evs/blow-hot-blow-cold/effects-of-blowing-air/
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