Una padella è calda. Ci cade sopra una goccia d’acqua: psss, sparisce. Aumentiamo ancora la temperatura. Seguendo l’intuizione, la goccia dovrebbe morire ancora più velocemente. E invece a un certo punto accade qualcosa di assurdo: comincia a correre sulla superficie e può durare più a lungo.

Non abbiamo rotto la termodinamica. Abbiamo incontrato l’effetto Leidenfrost.

Prima la goccia tocca il metallo

Su una superficie abbastanza calda, ma al di sotto del regime Leidenfrost, il liquido entra in contatto con il materiale rovente. Il trasferimento di calore è intenso, si formano bolle e l’evaporazione può essere violentissima.

Continuando ad aumentare la temperatura, la produzione di vapore alla base della goccia diventa talmente rapida che il gas riesce a sostenere il liquido e a separarlo dalla superficie.

Una goccia che galleggia sul proprio vapore

Sotto la goccia compare un sottilissimo film di vapore. Il liquido non appoggia più direttamente sul metallo: levita sopra il gas che esso stesso sta producendo.

Il paradosso nasce qui. Il vapore trasferisce calore molto meno efficacemente del contatto diretto liquido-solido. Quello strato diventa quindi anche un isolante termico. La superficie è più calda, ma il percorso attraverso il quale il calore deve raggiungere gran parte della goccia è diventato peggiore.

Ecco perché la goccia dura più a lungo

Una volta stabilizzato il film, il flusso termico verso il liquido può ridursi rispetto ai regimi di ebollizione con contatto diretto. Per questo l’aumento della temperatura della piastra non corrisponde sempre a una diminuzione monotona del tempo di vita della goccia.

La goccia continua ovviamente a evaporare: è proprio il suo vapore a mantenerla sospesa. Ma può farlo abbastanza lentamente da restare visibile per molti secondi mentre corre sulla superficie.

Perché corre come impazzita?

Il film di vapore elimina quasi completamente il normale contatto con il solido e quindi riduce enormemente attrito e pinning della linea di contatto. Basta una piccola inclinazione, una vibrazione o un’asimmetria nel flusso del vapore per mettere la goccia in movimento.

Su superfici opportunamente strutturate è persino possibile guidare il moto delle gocce sfruttando questa mobilità estrema.

Ma a quanti gradi succede?

Qui arriva un’altra sorpresa: non esiste un unico numero universale da imparare a memoria. Il punto di Leidenfrost dipende dal liquido, dal materiale, dalla rugosità e struttura della superficie, dalla pressione e dalle condizioni dinamiche della goccia.

Per l’acqua su molte superfici la comparsa del regime richiede temperature molto superiori ai 100 °C di ebollizione a pressione atmosferica. Inoltre gli esperimenti mostrano un’isteresi: una volta formato, il film di vapore può persistere mentre la superficie si raffredda fino a temperature inferiori a quelle necessarie per crearlo inizialmente.

Quindi 100 °C non bastano

I 100 °C indicano approssimativamente la temperatura di ebollizione dell’acqua a pressione atmosferica, non la temperatura Leidenfrost. L’ebollizione dice quando liquido e vapore possono coesistere in equilibrio a quella pressione; Leidenfrost richiede una dinamica molto particolare nella quale la produzione di vapore sostiene fisicamente la goccia.

Una curiosità, non un esperimento da fare per gioco

L’effetto è facile da vedere nei video e spesso viene usato come indicatore empirico in cucina. Ma superfici nel regime Leidenfrost possono trovarsi a temperature capaci di provocare ustioni gravissime e liquidi versati su una piastra rovente possono muoversi in maniera imprevedibile. Capirlo è divertente; provarlo deliberatamente con una padella surriscaldata molto meno.

La padella è così calda che l’acqua riesce, per qualche secondo, a non toccarla più.

Fonti

• Physical Review Letters — Minimum Leidenfrost Temperature on Smooth Surfaces.
• APS Physics — The Minimum Temperature for Levitating Droplets.
• Review — Droplet Interactions with Hot Surfaces: Boiling Modes, Leidenfrost Temperature, Dynamics, and Applications.

Handoff Reel — FISICA…MENTE

Hook: Più questa padella diventa calda, più l’acqua dovrebbe evaporare velocemente. A un certo punto succede esattamente il contrario.

Concetto: l’evaporazione crea un film di vapore che solleva la goccia, riduce il contatto e ostacola il trasferimento di calore.

Chiusura: La superficie è così calda che l’acqua riesce temporaneamente a non toccarla più.

Visual: piastra → goccia che evapora → temperatura sale → seconda goccia levita → sezione macro del film di vapore → goccia che corre.