L'incredibile tecnologia del vuoto

Recentemente ho iniziato a usare una borraccia sottovuoto vecchia di 50 anni che apparteneva a mio nonno in modo da non dover lasciare la prigione così spesso per procurarmi più caffeina. Oltre ad avere un aspetto assolutamente fantastico sulla mia scrivania, questa cosa funziona ancora come nuova, almeno per quanto ne so: è più vecchia di me.

Naturalmente questo mi ha portato a chiedermi come funzionino esattamente le borracce sottovuoto, meglio conosciute negli ambienti domestici come Thermos, e come siano state inventate. La beuta sottovuoto è una tecnologia sorprendentemente vecchia. Fu inventato per la prima volta dal chimico scozzese Sir James Dewar e presentato al Royal Institute nel 1892. Sei anni dopo, sarebbe stato il primo a liquefare l'idrogeno ed è considerato il padre fondatore della criogenia.

All’epoca la liquefazione dei gas era un processo costoso ed era importante mantenerli allo stato fluido il più a lungo possibile. La fiaschetta di Sir Dewar consisteva di due fiasche separate da un quasi vuoto che svolge gran parte del lavoro di ritenzione del calore. Il calore non può viaggiare attraverso il vuoto, quindi il contenuto rimane a temperatura molto più a lungo di quanto farebbe all'esterno del pallone.

Questi contenitori hanno moltissimi usi diversi da quello di mantenere il caffè caldo o il tè freddo. Sono ampiamente utilizzati in tutti i campi industriali, scientifici e medici per qualsiasi cosa, dalla conservazione dei fluidi e dei tessuti corporei alla misurazione dell'energia elettrica, alla registrazione del tempo e al rilevamento della velocità di salita di un aereo. Le beute con chiusura sottovuoto vengono utilizzate anche nelle macchine per risonanza magnetica per mantenere fresco il magnete superconduttore. E sono ancora utilizzati per mantenere liquidi i gas liquefatti.

Perché le beute sottovuoto sono così efficaci nel trattenere il calore? Dipende da come la guardi, poiché esistono quattro modi principali per descrivere la perdita di calore: convezione, conduzione, radiazione ed evaporazione.

Partendo dall'alto, il coperchio ermetico sigilla la camera e impedisce il trasferimento di calore sia per convezione che per evaporazione. Il quasi vuoto tra il pallone interno e quello esterno aiuta a prevenire ulteriormente la perdita di calore per convezione.

Le pareti sottili del pallone impediscono la conduzione del calore nello stesso modo in cui puoi mettere un singolo foglio di alluminio aperto nel tostapane, posizionarlo all'altezza che desideri ed estrarlo a mani nude quando il panino con bratwurst è tostato. Le pareti sottili hanno meno massa, quindi non conducono il calore lontano dal liquido all'interno del recipiente.

Ai tempi in cui le boccette erano rivestite di vetro, avevano un rivestimento argentato che impediva la perdita di calore per radiazione. Le persone si stancavano di sostituire il proprio thermos ogni volta che cadeva, quindi è molto più probabile che le borracce di oggi siano rivestite in acciaio.

Guardando indietro al 21° secolo, è facile supporre che siano state pensate contemporaneamente sia le applicazioni calde che quelle fredde, ma non è così. Il pallone con chiusura sottovuoto non fu la prima incursione di Sir James Dewar nel mantenimento della temperatura a lungo termine. Insieme al fisico e connazionale Peter Tait, circa vent'anni prima aveva sviluppato un calice isolato sotto vuoto per mantenere calde le sostanze. Il pallone con chiusura sottovuoto di Sir Dewar destinato a mantenere freddi i gas liquefatti aveva un collo molto più stretto rispetto al calice caldo ed era rivestito da un rivestimento d'argento che impediva la perdita di calore per radiazione.

Sir Dewar era notoriamente una testa calda. Aveva avuto un litigio con Alfred Nobel sul brevetto della cordite e non aveva mai brevettato la sua beuta sottovuoto. Uno dei suoi soffiatori di vetro, Reinhold Burger, insieme a un altro soffiatore di vetro, Albert Aschenbrenner, scoprirono che la fiaschetta manteneva caldo anche il latte per bambini per diverse ore e ne intuirono il potenziale commerciale. Brevettarono il Thermos nel 1904. Sir Dewar in seguito perse la causa in tribunale contro l'azienda. Sebbene lo riconoscessero come inventore, non aveva brevettato la sua invenzione, quindi rientravano nei loro diritti.

Ecco un fatto divertente sulla termodinamica, per gentile concessione del nostro [Adam Zeloof]: una birra appoggiata su un lato nel frigorifero si raffredderà più velocemente della lattina verticale accanto ad essa. Questo perché i cilindri orizzontali hanno un trasferimento di calore maggiore rispetto ai cilindri verticali per quanto riguarda la convezione naturale. Questo vale per qualsiasi liquido contenuto in un cilindro sigillato, non solo per quello frizzante e alcolico. Quindi, ricordatevi che la prossima volta la bodega avrà solo casse calde di Pabst Blue Ribbon e bottiglie di Club Mate. Raffreddarlo lateralmente e poi versarlo in un barattolo sottovuoto.