Mi illumino d'incenso (o La capillarità nella candela)

.. non c’è mezzo migliore, né più efficace, per entrare nello studio delle scienze naturali che prendere in considerazione i fenomeni fisici di una candela che arde.

La frase sopra citata è il frutto di una delle menti più geniali della storia dell’umanità, Michael Faraday, e se questa volta abbiamo scelto lui come oggetto e protagonista dei nostri articoli non è un caso.

Quale credete che sia alla fine dei giochi ( eh sì, su questo sito ce ne sono parecchi e ci piace scherzare ) lo scopo ultimo di Fisicisenzapalestra?

La risposta non mi sembra troppo complicata: la divulgazione scientifica.
Vi starete ora tutti chiedendo cosa c’entri tutto questo con Faraday.
Bene, il nostro amico britannico oltre ad essere una brillante, brillantissima mente, è stato un pioniere del diffondersi del sapere
Un po’ come noi senzapalestra, no? .. (beh in effetti no, magari, sarebbe fantastico, ma per ora diciamo di no, purtroppo.).

Faraday non è stato troppo fortunato durante l'infanzia, non ha avuto la possibilità di frequentare la migliore school di London ed essere the best student ever. Era in effetti molto povero, rimasto presto orfano, abitava nei quartieri più umili di Newington Butts, frequentava le scuole pubbliche e iniziò a lavorare a 13 anni come fattorino nella bottega di un libraio.
Proprio l’avvicinarsi ai libri portò il nostro genio (ancora latente) ad accostarsi alle scienze, a perseguire lo studio della chimica da autodidatta e ad usufruire di una prima opera di divulgazione scientifica che aveva voce per mezzo di piccole conferenze a carattere didattico.

Einstein lo ricorda dicendo: « Era innamorato della natura misteriosa come l'amante dell'amata lontana » e probabilmente proprio la sua condizione estremamente umile e la passione, l’ardore per la conoscenza, hanno portato Faraday ad impegnarsi nella condivisione del suo genio.

Egli si prodigò per questo in prima persona in Conferenze serali che, come lui stesso disse, avevano lo scopo di “divertire ed intrattenere, ma anche educare, istruire e, soprattutto, ispirare”.

Proprio queste parole sono il motore vivo di Fisicisenzapalestra e quindi, ripercorrendo le orme del protagonista di oggi, vorrei parlare della scienza che si cela in un oggetto semplicissimo e quotidiano come una candela, smettendo di fare la sdolcinata e riprendendo con i miei soliti modi di fare perché… Billy… qui nessuno si è dimenticato di te.

Mi sembra doveroso a questo punto cominciare dall’elemento principale di una candela, ovvero la sua fiamma.

La fiamma è il fenomeno luminoso che ci indica che è in atto una combustione. Una parola sufficientemente di uso comune, ma sappiamo davvero definire cosa sia?

Io ovviamente sì, tu Billy ovviamente no.

In termini rigorosi la combustione è una reazione di ossidoriduzione esotermica che può essere descritta dalla seguente equazione:

Un composto si ossida, il combustibile (ad esempio la paraffina presente nelle candele), mentre un altro si riduce (l'ossigeno dell’aria) con rilascio di energia, calore, radiazioni elettromagnetiche (tra cui le radiazioni luminose) e formazione di nuovi composti, principalmente anidride carbonica e acqua.

Quindi proprio l’ossigeno è l’elemento vitale del processo ed è proprio questo il motivo per cui coprendo una candela con un contenitore di vetro, ad esempio, dopo poco tempo questa si spegne.

Quindi le candele distruggono l’ossigeno! Andrà in via d’estinzione!! Moriremo tutti!!!

No Billy, no.

Lavoisier non ti ha insegnato che nulla si crea e nulla si distrugge?
Ma l’hai guardata l’equazione che ho sopra citato?

L’ossigeno non va da nessuna parte, nessun atomo va da nessuna parte!
Quello che accade è che si lega ad altri atomi, e non sarà quindi più disponibile per la reazione di combustione.
L’ossigeno si trasforma per esempio in vapore acqueo.
Si può infatti facilmente osservare questo fenomeno sempre per mezzo del contenitore di vetro che abbiamo precedentemente chiamato in causa.
Una volta che la candela si è spenta l’acqua allo stato gassoso, che sarebbe quindi non visibile ai nostri occhi, a contatto con il vetro più freddo del bicchiere si condensa (proprio come accade con la rugiada) e lo appanna.

Ma come fa ad arrivare sulla superficie del barattolo? Si genera una forza antigravitazionale?

No Billy, domanda intelligente ma deduzione errata.

L’acqua che tende a salire ha una spiegazione questa volta non chimica, bensì fisica.

La candela riscalda l’aria all’interno del nostro contenitore causando una dilatazione termica del gas. Sappiamo (o almeno spero che anche tu lo sappia Billy) che la densità è inversamente proporzionale al volume, quindi un corpo che si sta dilatando e che mantiene la massa costante avrà una densità minore (calmo Billy, respira e rileggi la frase che nessuno ti corre dietro).

L'aria che si è contratta raffreddandosi eserciterà una pressione minore sulle pareti del barattolo, e conseguentemente una forza minore; si genereranno così dei moti convettivi in quanto l’aria riscaldata dalla fiamma, a densità minore, a causa della spinta di Archimede  (ogni corpo immerso parzialmente o completamente in un fluido (liquido o gas) riceve una spinta verticale dal basso verso l'alto, uguale per intensità al peso del fluido che occupa nel volume spostato), sale fino all’apice ed alle pareti del barattolo essendo immersa in un fluido più denso, l’aria fredda.

Ti ricordo infatti che il peso è direttamente proporzionale alla densità, quindi il bilancio di forze tra il peso del gas caldo e la spinta di Archimede "del gas freddo" ha una risultante che punta verso l'alto.

Abbiamo prima parlato di paraffina e dopo aver sufficientemente disquisito attorno al comburente passiamo quindi al combustibile, che altro non è che la cera.

Wikipedia sostiene che:

” Dal punto di vista chimico, le cere sono miscele di esteri, alcoli, acidi saturi con catena da 14 a 30 atomi di carbonio. Una cera è un tipo di lipide, si differenzia dai grassi perché può essere un estere del glicole etilenico con due acidi grassi, mentre i grassi sono esteri della glicerina con tre acidi grassi. “

Quindi la nostre candele sono fatte di grassi solidi: basti pensare ad uno dei materiali più usati per fabbricarle quali la stearina, contenuta nel burro, nello strutto oppure nel lardo!

Ma quello che brucia mica è la cera! E’ il filetto!

Sì Billy, ci stavo appunto arrivando e poi taci, il filetto ha un nome proprio.

Ciò che arde prende appunto il nome di stoppino che molto spesso è impregnato di cera per facilitarne l’accensione.
Questo filo intrecciato di fibra tessile ci è utile per spiegare un’altra legge fisica: la capillarità.

La fiamma infatti scioglie la cera intorno, che una volta liquida sale per capillarità nello stoppino dove brucia.

Ma cos’è la capillarità?

Bene Billy questo è un altro fenomeno che sembra combattere contro la forza di gravità …e invece no!
La risultante delle forze di interazione su una molecola tiene conto di due componenti:
-La forza di coesione, che si sviluppa fra molecole uguali e che tende a tenerle legate;
-La forza di adesione, che si sviluppa fra molecole diverse e che fa sì che queste si attraggano.

Da questa concorrenza tra le due possiamo avere due situazioni:

- Le forze di adesione sono minori delle forze di coesione
e si dice quindi che il liquido non “bagnerà” la parete e tenderà piuttosto ad allontanarsi da questa;

- Le forze di adesione sono maggiori delle forze di coesione
il liquido tende allora a legarsi alla parete e nel caso di piccoli tubi, quali possono essere le fibre di un tessuto, la superficie di un liquido è curva e nella parte concava si genera una pressione maggiore di quella esistente nella parte convessa.

Per ristabilire l'equilibrio tra queste pressioni, il liquido dovrà quindi salire di un certo volume secondo la legge di Jurin che enuncia che per un capillare cilindrico di raggio r si può calcolare l'innalzamento o l'abbassamento h del livello del liquido nel capillare rispetto a quello del liquido nel recipiente esterno come:

dove:

•  γ è la tensione superficiale (J/m² or N/m);
•  θ è l'angolo di raccordo tra la superficie del liquido e la parete del contenitore;
•  ρ è la densità del liquido (kg/m³);
•  g è l'accelerazione di gravità (m/s²);
•  r è il raggio del capillare (m).

Quindi la cera sale lungo lo stoppino che brucia producendo una fiamma... a quale scopo?
Billy tu di solito perché accendi una candela?

Bhe io veramente lo faccio solo quando la luce di casa mia decide di non funzionare più!

Bravo insipiente animale intuitivo! Proprio della luce volevo parlare!

Ancora una volta dobbiamo ricondurci alla combustione, infatti sono proprio le molecole dei suoi prodotti gassosi, ancora eccitate, che producono energia in eccesso sotto forma di fotoni nello spettro visibile e riferendoci proprio ad eddo possiamo anche spiegare il perché la fiamma non sia sempre dello stesso colore.

Questo infatti varia dipendentemente dalla temperatura e in base allo spettro di emissione degli ioni, cioè “l'insieme delle frequenze della radiazione elettromagnetica emessa dagli elettroni dei suoi atomi quando questi compiono una transizione da uno stato ad energia maggiore verso uno a energia minore”.

Il classico movimento guizzante della fiamma è dovuto proprio ai gas combusti che, più caldi dell’atmosfera circondante si dirigono verso l’alto. Il fuoco infatti altro non è che “un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro”, ed è infatti proprio per questo difficile definirne lo stato di materia.

E' un gas Billy, un liquido o forse un solido?

Non sai rispondere vero? E’ normale in quanto la risposta non è nessuna delle tre che ti ho proposto. Sono proprio cattiva eh? NON TI AZZARDARE NEANCHE A PENSARLO BIFOLCO!
La fiamma è infatti plasma, oggetto fisico che tu ignori ma che nell’Universo costituisce più del 99% della materia conosciuta: si trovano infatti sotto questa forma  il Sole, le stelle e le nebulose.

Ma Billy non spaventarti, pensa che tuttavia la materia conosciuta rappresenta soltanto una percentuale effimera che si aggira attorno al 5% dell'intero contenuto di materia ed energia dell'Universo, mentre il restante 95% è costituito dall’ energia oscura e dalla materia oscura, proprio quella che si cela all’interno della tua cavità cranica!

Ma adesso non addentriamoci in discorsi troppo lontani perfino dalla conoscenza del nostro amico Faraday e, a dire la verità, dalla conoscenza di tutti!

Per oggi basta così Billy.