Insegnare fisica/Fisica quotidiana/Dipping bird
Uccello bevitore
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All’inizio della lezione conviene mostrare al pubblico che in un angolo è stato piazzato un uccello bevitore (Figura 1) che ha continuato a oscillare per tutto il tempo. Quando arriva il momento di esaminarlo si domanda:
Come funziona questo giocattolo? Da dove prende l’energia per muoversi? Se la prende dall'ambiente, non è che stia violando la seconda legge della termodinamica secondo l’enunciato di Kelvin, che dice che per estrarre lavoro dal calore c’è sempre bisogno di “scaricare” parte del calore in un serbatoio più freddo?
L’uccello bevitore è una macchina termica che funziona in maniera simile alla macchinetta per il caffè “moka”. In entrambi gli apparati c’è una caldaia con un beccuccio che pesca quasi al fondo. Il calore fa evaporare il liquido (acqua per la moka, un etere per l’uccello) e l’aumento di pressione fa risalire il liquido nel tubo di scarico (nella moka conta anche l'espansione dell'aria rimasta intrappolata nel serbatoio).
Nella moka questo tubo è aperto e porta al contenitore di caffè soprastante. Nell’uccello bevitore il tubo porta ad un serbatoio chiuso soprastante. L’uccello è fatto in maniera che quando il liquido risale, spostando il centro di massa, il tutto si inclina fino a che il becco va a bagnarsi in un bicchiere di acqua.
Si faccia notare che nel tubo dell’uccello non c’è aria: le parti senza liquido sono riempite dal suo vapore. Quindi perché il liquido possa risalire, il vapore devo condensarsi, e lo fa perché la pressione aumenta mentre la temperatura viene mantenuta più bassa di quella della caldaia dall’evaporazione dell’acqua (il serbatoio soprastante è ricoperto da una ricopertura in feltro che viene bagnato dall’acqua “pescata” dal becco).
Quindi l’uccello è una macchina termica “regolare”. Se però comprendiamo nel sistema anche il bicchiere con l’acqua e l'ambiente circostante, ecco che le cose non tornano più: Tutto il sistema è alla stessa temperatura: come può funzionare alla luce della seconda legge della termodinamica?
Il fatto è che l’aria non è satura di vapore (se lo fosse il tutto si fermerebbe), e quindi non siamo in una condizione di equilibrio: l’acqua tende a evaporare (perché la sua entropia è maggiore quando è dispersa in aria che quando è condensata in un liquido, estraendo calore dall’uccello (perché energeticamente le molecole di acqua stanno preferibilmente attaccate tra loro che disperse in aria). Si tratta di una competizione tra energia ed entropia (minimo dell'energia libera).
Se si copre il tutto con una campana (o si mette uccellino e bicchiere dentro una scatola di plastica trasparente), prima o poi si raggiunge l’equilibrio e l’uccello si ferma (così come fa nelle giornate di afa, quando l’umidità dell’aria è troppo alta).
Concetti fisici:
modifica- Evaporazione e condensazione
- Macchine termiche
- Energia termica e meccanica
- Secondo principio della termodinamica
- Equilibrio termodinamico
- Energia, entropia, energia libera
- Umidità e saturazione