La “carica” della pentola
Lo studio della termodinamica e della termologia a scuola è molto spesso confinato a discutere dei fenomeni che riguardano gli scambi di calore, le variazioni di temperatura, i cambi di stato delle sostanze e delle macchine termodinamiche. Quello che però non si fa spesso è di situare questa teoria nelle situazioni di vita quotidiana e più nello specifico nel mondo della cucina.
Sono stato un assiduo frequentatore del canale divulgativo di chimica della cucina di Dario Bressanini su YouTube e una delle sue serie che più hanno avuto un impatto sul modo che ho di pensare la cucina è stata quella sulla cottura della pasta. Nei video Bressanini discuteva e divulgava i fatti relativi a questo argomento, dei suoi meccanismi chimici, per rispondere alla domanda “Si può cucinare la pasta spegnendo il fornello una volta che l’acqua è arrivata a bollore?”. La risposta è sì e la spiegazione del divulgatore è chiarissima. Ovviamente cuocere la pasta così ha delle differenze rispetto a cuocerla con il fornello acceso, sia per le condizioni necessarie alla cottura che per i suoi risultati, ma ci dà l’opportunità di ripensare alle condizioni chimico-fisiche affinché questo fenomeno accada, che non sono, come spesso si pensa, legate al bollore dell’acqua, ma solo alla sua temperatura, che non deve scendere al di sotto di una certa soglia (~70°C).
Dario Bressanini dimostrava in questi video che la temperatura dell’acqua di cottura non scende così rapidamente come si pensa; ed è questo uno degli ingredienti fondamentali per la realizzazione del suo esperimento. Se, una volta che l’acqua è arrivata a bollore, si spegne il fornello, la sua temperatura a coperchio chiuso calerà ma molto più lentamente di quanto ci si potrebbe aspettare, non scendendo sotto i 70°C nel tempo di cottura. Questo fatto mi ha fatto pensare a come molto spesso non solo diamo per scontati alcuni fenomeni che viviamo tutti i giorni ma non ci rendiamo conto di conoscerli superficialmente. Una conoscenza migliore di questi fenomeni ha implicazioni dirette sull’utilizzo che facciamo dei nostri strumenti. Un esempio è il fatto che se si spegne il fornello si risparmia circa la metà del gas o dell’elettricità richiesta. Infatti questo tema fu discusso proprio all’indomani dello scoppio della guerra in Ucraina, a causa della quale il prezzo dell’energia in Europa esplose. Anche il premio Nobel Giorgio Parisi si spese per divulgare la conoscenza su questo marginale – ma in bolletta non così tanto – argomento.
Le domande che mi feci facendomi incuriosire da questo video erano:
- Quanto tempo impiega l’acqua sul fornello a raggiungere i 100°C? In che modo nel tempo aumenta la sua temperatura?
- Cosa succede all’aggiunta del sale? Cosa all’aggiunta della pasta? Cosa succede quando si mescola la pasta?
- È vero che la temperatura dell’acqua non cambia tanto e che basta un piccola fiamma per mantenerla?
- Una volta cotta la pasta, in quanto tempo decade la temperatura dell’acqua e come nel tempo?
L’ultima domanda sarà oggetto di uno o più esperimenti che faremo in classe. In questo articolo invece vorrei fare una piccola analisi di quello che succede durante le prime fasi, quindi risponderò brevemente alla prima, seconda e terza domanda. Per darci qualche convenzione sulla terminologia sappiate che chiamerò come segue le tre fasi:
- Carica della pentola – fase in cui l’acqua si scalda fino ad assumere la temperatura di circa 100°C. Siccome all’aumento della temperatura l’energia interna del sistema aumenta, mi risultava immediato associare il fenomeno alla carica di una batteria (o di un condensatore), durante la quale viene fornita energia dall’esterno alla. C’è anche un altro motivo fisico per chiamarla così e risiede nel come in linea di principio la temperatura aumenta nel tempo, ma è un discorso più complicato.
- Cottura della pasta – fase che va dall’aggiunta del sale alla scolatura della pasta.
- Scarica della pentola – per gli stessi motivi sopra elencati, è simile alla scarica di un batteria (o di un condensatore).
Mi concentrerò quindi sulle prime due fasi. Questo esperimento può essere svolto da chiunque non solo perché è facile tecnicamente ma anche perché la parte teorica non è così complicata concettualmente. Seppure non hai esperienza di concetti di termologia e termodinamica, qui sotto spiego i fenomeni coinvolti in maniera rapida e semplificata, non serve dunque una preparazione teorica specifica. L’unico concetto che dovrai conoscere per affrontare l’argomento è quello di velocità e quello di energia cinetica. Procediamo con l’esperimento.
Descrizione dell’esperimento
Di cosa abbiamo bisogno? Ovviamente di pentola, acqua, sale e pasta. Ma anche di strumenti di misura adeguati. Io adoro il mio termometro da cucina. Se non lo avete mi dispiace per voi. Ho scoperto un sacco di fatti scientifici sulla cucina grazie al mio termometro. È ad ago, con un lungo stelo che si può immergere in acqua o infilare nella carne o mettere a contatto con il fondo di una padella. È uno strumento analogico e ha un prontezza di circa cinque secondi nella situazione peggiore. Fa al caso nostro.
Abbiamo bisogno che ci sia un coperchio per non disperdere calore, simulando una situazione di vantaggio energetico. Il mio coperchio per fortuna ha un forellino che mi permette di inserire l’ago del termometro e di renderlo stabile così da non dover aprire il coperchio per fare misure ripetute.
In questo modo riesco anche a piazzare vicino alla pentola il mio smartphone, così da riprendere in un video molto dettagliato l’escursione termica dell’acqua, senza dover stare davanti alla pentola a prendere nota delle temperature ogni dato lasso di tempo.
Quanta fiamma uso? Ovviamente ognuno ha la possibilità di regolare la fiamma come vuole e ci aspettiamo che i tempi di innalzamento della temperatura dipendano proprio da quanto gas consumiamo nell’unità di tempo. Qui vogliamo dare una stima termologica dei fenomeni quindi userò la potenza media del mio fornello più grande. So che non è una dichiarazione precisa ma ai fini dichiarati non è un problema.
Quanta acqua metto nella pentola? Visto che ci devo anche mangiare, tanto quanto basta per cuocere la pasta ma, visto che l’ago del termometro deve essere in grado di misurare correttamente la temperatura, la sua punta va messa all’incirca a metà pentola. Queste due condizioni si traducono in un volume: 4,3 litri d’acqua.
Quanto sale butto? Circa 40 g di sale dovrebbero bastare per salare questa quantità d’acqua. Forse mi servirà sapere questa massa quando dovrò capire come cambia la temperatura all’atto di buttare il sale.
Cosa ci aspettiamo?
Prima di tutto cerchiamo di capire quali fenomeni concorrono in un simile esperimento. Se i fenomeni di cui sto per parlare ti sono familiari puoi saltare la sezione ma ti consiglio vivamente di prendere in considerazione quanto sto per scrivere.
PRIMO. Il gas che viene emesso dal fornello brucia e la sua combustione sprigiona calore. Questo calore, ovvero energia trasmessa ad un livello microscopico – da molecola a molecola, da atomo ad atomo, velocissimamente – viene estratto dai legami chimici delle molecole spezzate dalla combustione stessa. Questi legami contengono molta energia, dunque sarà anche molta l’energia emessa. Le molecole spezzate in questo caso sono quelle del gas metano, CH4, contenuto nel gas naturale fornito dalla rete. Non è l’unico componente del gas naturale bruciato ma il preminente.
SECONDO. Il calore emesso dalla fiamma viene trasmesso a tutto ciò che lo circonda, una parte all’aria che è nelle immediate vicinanze, una parte alla pentola e una parte all’acqua. Il calore è il principale responsabile dei meccanismi di riscaldamento e raffreddamento: se un oggetto emette calore, perde energia e la sua temperatura diminuisce; se assorbe calore, incrementa la sua energia e aumenta la sua temperatura. Il calore emesso dalla fiamma quindi andrà a riscaldare un po’ la pentola e un po’ l’aria che lo circonda. Questo è il motivo per cui ci scottiamo se avviciniamo troppo la mano alla fiamma: molta di quell’energia verrà trasferita alla mano, troppa rispetto a quanta il nostro corpo ne riesca a gestire, provocando una reazione cutanea dolorosa: la scottatura. Il calore che viene ceduto all’aria è di fatto energia persa, perché non viene veicolata dovo vorremmo.
TERZO. Perché un corpo che assorbe calore aumenta la sua temperatura e uno che lo emette l’abbassa?
- I meccanismi termici sono dovuti alla grande complessità dei fenomeni microscopici, in particolare a quella che viene chiamata agitazione termica. Ogni sostanza è composta da molecole e da atomi. Nei liquidi e nei gas come anche nei materiali solidi questi atomi e molecole interagiscono tra loro muovendosi velocemente e urtando. Ognuno ha la propria velocità, la propria posizione, subisce le proprie forze e si riorienta di conseguenza in un balletto di miliardi di miliardi di molecole. Questa è l’agitazione termica. Uno strumento come il termometro misura l’agitazione termica delle molecole di un corpo: la temperatura è dunque una misura dell’agitazione termica delle molecole di un corpo. La differenza tra gas, liquidi e solidi è il solo fatto che nei primi due stati della materia le molecole si possono muovere abbastanza liberamente, nello stato solido invece “danzano sul posto” perché vincolate a stare lì dai forti legami che hanno con le molecole vicine.
- Queste molecole, per il fatto di muoversi, posseggono un’energia cinetica. Aumentando l’energia cinetica, aumenta il loro movimento e aumenta di conseguenza l’agitazione termica. Dunque se fornisco calore ad un materiale, sto aumentando la sua energia, che poi risulta essere l’energia cinetica delle particelle che lo compongono, dunque, aumentando l’energia cinetica delle molecole, aumenterà anche l’agitazione termica, quindi aumenterà la temperatura del corpo. Al contrario un corpo che emette calore sta trasferendo all’esterno parte della sua energia, dunque diminuiscono la sua energia interna, l’energia cinetica delle molecole, l’agitazione termica e di conseguenza la sua temperatura.
QUARTO. Ci sono altri due effetti da conoscere, alcuni fenomeni di trasporto del calore che ci interessano.
- Due corpi vicini a contatto a temperature differenti interagiscono tra loro in un modo be specifico: il corpo più caldo si raffredda e il corpo più freddo si riscalda, fino a che le due temperature si equivalgono. Questo principio si chiama principio zero della termodinamica. Questo è il motivo per cui se la pentola è calda e la tocchiamo, ci scottiamo; ed è lo stesso motivo per cui anche avvicinando la mano alla pentola sentiamo il calore provenire da essa. Ci servirà sapere che, se la pentola è calda, trasferisce calore all’aria perché l’aria la circonda ed è ad una temperatura più bassa della pentola. Così una parte del calore che la combustione del metano aveva trasferito alla pentola si perde per conduzione del calore dalla pentola all’aria. È utilissimo sapere che più la differenza di temperatura tra due oggetti è alta e più è rapido il passaggio di calore e il cambiamento di temperatura: se la temperatura della pentola è ancora bassa (~50-60°C), essa trasferisce calore all’aria circostante lentamente, se invece è ad alta temperatura (~80-100°C), cede calore molto più velocemente.
- Un altro modo di trasferire il calore è quello di trasportare materia. Il principio è semplice: se in un certo ambiente trasporto dell’aria calda dove c’è aria più fredda, aumenterò la temperatura della zona più fredda. È quello che succede sulla superficie dell’acqua all’interno pentola. L’acqua scalda l’aria a contatto con la superficie dell’acqua stessa, l’aria riscaldata, che è libera di muoversi, andrà a spostarsi in altre zone e le riscalderà. Così si perde altro calore, altra energia fornita dalla combustione che si perde. Questo è il motivo per cui è meglio chiudere il coperchio della pentola per non disperderlo e mantenere l’energia all’interno dell’acqua e mantenere alta la sua temperatura. Questo fenomeno tra l’altro avviene anche all’interno dell’acqua stessa: l’acqua scaldata dal fornello è in basso e sale scaldando il resto dell’acqua. Questo fenomeno si chiama convezione e i moti circolari innescati nei fluidi si chiamano moti convettivi.
QUINTO. L’ultimo effetto da conoscere è quello della vaporizzazione dell’acqua. L’acqua a 100°C bolle: i legami che tengono le molecole di H2O legate all’interno del liquido vengono spezzati dalle alte temperature e le molecole diventano libere di muoversi in aria: l’acqua diventa dunque un gas, vapore. Se tenete l’acqua sul fornello a 100°C, dopo un certo tempo troverete meno acqua al suo interno proprio perché parte di essa è diventata gassosa. Il bollore dell’acqua è dovuto proprio alle bollicine di vapore acqueo che salgono repentinamente in superficie per uscirne. Il nostro obiettivo non è quindi quello di cuocere la pasta a 100°C perché è una temperatura troppo alta e rischieremmo di aver riscaldato l’acqua per uno scopo inutile e sbagliato. È molto meglio mantenerla ad una temperatura poco inferiore, sufficiente a cuocere la pasta.
- Un utile fatto da conoscere è che finché la temperatura dell’acqua è 100°C, l’unico effetto che si può innescare è quello della vaporizzazione. Non si può tentare di riscaldare l’acqua a più di cento gradi perché il calore che servirebbe a farlo verrebbe utilizzato dal materiale per spezzare i legami tra molecole. Dunque non è possibile misurare una temperatura dell’acqua superiore ai 100°C. È possibile misurare una temperatura superiore solo se quell’acqua diventa tutta vapore.
- È un fatto curioso che in realtà un po’ di vaporizzazione è presente anche se l’acqua non raggiunge i 100°C. Pensate per esempio ad una pozzanghera che viene asciugata dal sole. Se c’è vento la vaporizzazione è anche più veloce. Questo processo è dovuto al fatto che comunque è possibile cedere energia sufficiente alle molecole della superficie per spezzare i legami che le legano al liquido e farle liberare in aria. Un po’ perché il sole riesce a fornire calore a quelle molecole, un po’ perché il vento è composto anch’esso da molecole di aria che, urtando le molecole d’acqua, le fanno “saltare” tutte fuori, molecola dopo molecola. Questo è il motivo per cui anche se l’acqua all’interno della pentola non è a 100°C, vedrete del vapore emergere dalla sua superficie.
Cosa ci aspettiamo allora nella fase di carica?
Mi aspetto che l’acqua nella pentola, che all’inizio è alla temperatura ambiente del sottosuolo vicino (~25°C), si scaldi rapidamente all’inizio per l’effetto della fiamma. Poi però per gli effetti di scambio di calore della pentola con l’aria e la sua vaporizzazione facciano via via sempre più perdere energia alla pentola, per cui una parte di energia fornita dal fornello sempre più cospicua verrà persa, diminuendo la velocità con cui la pentola aumenta la propria temperatura. Se facciamo un grafico tempo-temperatura ciò si dovrebbe tradurre in un grafico che mostra un aumento di temperatura all’inizio con una certa pendenza, poi con una pendenza minore fino ad arrivare ad uno stallo, i 100°C. Per il fatto che perché non tutta la pentola ha una temperatura omogenea e ci saranno zone che raggiungeranno i 100°C e alcune che non li raggiungeranno, mi aspetto che le temperature registrate possano arrivare tra i 99°C e i 100°C ma non esattamente a 100°C.
Cosa ci aspettiamo nella fase di cottura?
- Mi aspetto che, se butto il sale nell’acqua, per il principio zero della termodinamica, la temperatura della miscela diminuisca: due corpi a differenti temperature, che in questo caso si mescolano, arriveranno ad una temperatura intermedia; la temperatura dell’acqua diminuirà mentre quella del sale aumenterà. Di quanto diminuisce la temperatura dell’acqua? È difficile stimarlo. Anche se teoricamente c’è un modo semplice per farlo, non voglio qui mettere troppa teoria e sperimentarlo direttamente sul campo. Per stimare meglio questo cambiamento di temperatura, quando immergerò il sale, spegnerò il fornello, così da non fare errori dovuti al calore in eccesso da esso fornito.
- Mi aspetto anche che, per quanto detto sul trasferimento del calore, all’apertura del coperchio la temperatura diminuisca. Siccome vorrei mangiare una pasta buona (che è l’aspetto fondamentale di tutta la vicenda umana e scientifica), dovrei girarla spesso perché non si attacchi. Mi aspetto di girarla almeno tre o quattro volte, dunque dovrò stare attento a non perdere troppo calore. La scommessa qui sta nel chiedersi se nella fase di cottura, per mantenere una temperatura tra i 90°C e i 100°C sia sufficiente disporre la pentola sul fornello più piccolo all’emissione più bassa di gas possibile. In questo modo la pasta si cuocerà nello stesso tempo che con il fornello alla medesima fiamma dell’inizio (se spegnessi completamente il fornello ci impiegherebbe di più) e mangerei una pasta cotta comunque in un’acqua calda che garantisce una pasta buona (è mio gusto personale ma non mi piace molto la pasta cotta a temperatura troppo bassa).
Risultati
I risultati sono qui sotto rappresentati da un grafico tempo-temperatura.
Il grafico evidenzia una sostanziale divisione in due fasi dell’esperienza. Una fase di crescita della temperatura fino a quasi 100 gradi e una conseguente fase di quasi-stallo.
Faccio notare una cosetta non da poco. Tra gli 8 e i 16 minuti purtroppo il mio termometro è rimasto spento per un motivo banale: dopo 10 minuti di inattività si spegne da solo. Questo si vede nell’immagine perché c’è un tratto senza punti ai tempi indicati. Riprendevo il mio termometro facendo un video con il mio cellulare per tracciare nel dettaglio ogni fase ma l’ho dimenticato acceso e non credevo si sarebbe spento presto. Col senno del poi, ho fatto una stupidaggine visto che sull’etichetta era scritto chiaramente… Ma in fondo non è stato un errore così grave perché tra gli 8 e i 16 minuti la crescita della temperatura è stata lineare e cioè ad una certa variazione piccola di tempo corrispondeva sempre una stessa e costante variazione di temperatura. Ciò si evince dal fatto che da 1,5 minuti fino ai 17 minuti circa il grafico è praticamente rettilineo. Dunque, se anche avessi misurato le temperature mancanti, avrei trovato lo stesso profilo del grafico. Chiamatela, se volete, fortuna.
Infatti è solo dai 17 minuti circa che cambia qualcosa: il grafico curva verso il basso. Ciò significa che dai 17 minuti, ovvero quando l’acqua ha una temperatura di circa 85-87 gradi, si iniziano a rendere evidenti sperimentalmente quei fenomeni di dispersione del calore che abbiamo elencato sopra: conduzione, convezione, … Questo perché solo quando la temperatura della pentola è abbastanza alta e l’aria che la circonda inizia a risultare relativamente fresca che questi fenomeni iniziano a diventare non marginali. E sono sempre più grandi man mano che aumenta la temperatura, per cui la dispersione aumenta e l’energia fornita dal fornello viene sprecata sempre più; allora la temperatura, seppure continui ad aumentare, aumenta sempre meno nel tempo e il grafico si appiattisce. Questo finché comunque non si arriva a quasi 100 gradi.
Questi quasi 100 gradi sono per la precisione 99,8°C. A quella temperatura l’acqua è vigorosamente in ebollizione. Perché non a 100 gradi? Perché, come già accennato, il termometro misura la temperatura solamente di una porzione di quell’acqua, quella più o meno al centro della pentola. L’acqua che diventa vapore è quella che sta a contatto con la superficie della pentola più vicina al fornello, che per l’appunto è a 100°C.
I dati e le misure dettagliate sono presenti nel foglio di calcolo che segue. Lo potete scaricare per osservare la bontà – o anche no – delle mie misure e delle mie affermazioni.
Segue quindi la fase che ho chiamato di stallo. Che non è un vero stallo ma più che altro un sali-scendi. Perché? Basta verificare le varie fasi e cosa è successo dalle indicazioni sul grafico stesso.
Una volta arrivata a quasi 100°C la temperatura dell’acqua, ho spento il fornello e ho buttato il sale. Questo comporta una diminuzione della temperatura dell’acqua di uno o due gradi. Come accennavo in precedenza, ho spento il fornello per comprendere più precisamente quanto cala la temperatura in questa fase. Buttati circa 40 g di sale in 3,4 L di acqua a circa 100°C si ottiene un abbassamento della temperatura di 1,5°C. Direi non poco! Chiaramente qui un po’ di dispersione c’è stata per l’apertura del coperchio, non solo per il sale.
Successivamente ho buttato la pasta (circa 240 g) e ho girato. In questa fase la temperatura si è abbassata prima di 4,2°C e poi di 0,8°C. Complessivamente sale, pasta e mescolamento hanno abbassato la temperatura di 6,5°C. Che non è poco!
Un innalzamento della temperatura successivo è dato dall’accensione successiva del fornello. Ho messo la pentola sul fornello più piccolo a fiamma bassa per comprendere se si poteva mantenere una certa temperatura ed effettivamente è così: la temperatura si alza in questa fase dai 93,3°C ai 96,8°C. Dopodiché si instaura una fase di sali-scendi data dalla ripetuta apertura del coperchio per girare la pasta: si abbassa la temperatura all’apertura del coperchio e si innalza alla sua chiusura. Ogni apertura abbassa la temperatura di 1,0-1,6°C.
Fino alla conclusione della cottura della pasta l’acqua è stata a temperature tra i 93,3°C e i 97,0°C. La cottura della pasta era perfetta. E mi sembra quindi questo il momento giusto per passare alle conclusioni.
Conclusioni
Non le ho ancora scritte ma con l’aiuto dei miei cari studenti presto le scriverò.
