Müller Thomas
Fluidi e superfluidi
Mer, 13/06/2007 - 11:28 — michele_bonaventuraAutore:
Müller Thomas
Cos’è un fluido? Generalmente confondiamo il termine fluido con quello di liquido. In realtà i fluidi sono caratterizzati da una serie di proprietà che vedremo; fanno certamente parte dei fluidi i liquidi e i gas.
Quello che caratterizza un fluido è il modo in cui si comporta muovendosi, la sua dinamica.
Un fluido, contrariamente ai solidi, non presenta un comportamento compatto, ma piuttosto scorre attraverso un condotto e non ha quindi forma propria.
A rigore questo è un comportamento che descrive anche il quarto stato della materia, il plasma, e come vedremo, in modo abbastanza sorprendente, anche alcuni solidi amorfi come il vetro.
Non è affatto semplice caratterizzare il comportamento di un fluido: le caratteristiche principali sono molteplici.
Solitamente si distinguono:
- la densità del fluido: ovvero il rapporto tra la sua massa e il volume occupato. Per un liquido si tratta di un rapporto costante, in quanto i liquidi sono quasi indeformabili. Al contrario per un gas si tratta di un rapporto che dipende da pressione e temperatura.
- La velocità di scorrimento del fluido, che determina il modo in cui questo si muove e le equazioni con cui si può descriverne il comportamento.
- La viscosità che influenza la facilità di scorrimento di un liquido. Si tratta di un espressione macroscopica delle microscopiche forze che agiscono tra particelle. È l’analogo dell’attrito per i solidi.
- La temperatura, che influenza tutte le proprietà dei fluidi, notoriamente la densità dei gas (che diminuisce al crescere della temperatura), la viscosità che diminuisce al crescere della temperatura di un liquido e la pressione che aumenta al crescere della temperatura di un gas.
Per descrivere la dinamica di un fluido si usa generalmente l’equazione a derivate parziali detta di Navier-Stokes. La sua complessità è tale che in generale non è possibile trovarne soluzioni esatte.
Nei casi più infelici non si trovano nemmeno soluzioni numeriche, come nei modelli meteorologici o nell’idrodinamica. Spesso i fluidi presentano comportamenti caotici.
L’uso massiccio del computer è quasi indispensabile nella risoluzione di questa equazione; spesso vengono fatte ipotesi semplificanti e modelli che ne riducono la complessità.
Un esempio di mezzo pratico per descrivere i fluidi è il numero di Reynolds.
Si tratta di un coefficiente che dipende dalla viscosità, dalla velocità di scorrimento, dalla densità del liquido e dalla geometria del luogo in cui si trova. Fornisce un valore in grado di segnalare se lo scorrimento sarà lineare (coefficiente del fluido più piccolo del suo numero di Reynolds caratteristico) o turbolento.
Un esempio? Immaginate del miele che scorre lungo un barattolo: avrà viscosità elevata, densità simile all’acqua e velocità limitata. Lo scorrimento sarà lineare, semplice da descrivere. Numero di Reynolds molto piccolo.
Cambiamo liquido e passiamo all’acqua: se la osserviamo scorrere lungo un tubo, lentamente osserveremo un comportamento lineare; se aumentiamo la velocità cominceranno a formarsi turbini e mulinelli, comportamento turbolento. Potremmo mantenere la velocità bassa, ma cambiare la geometria (ad esempio far scorrere l’acqua sul letto sassoso di un fiume). Anche in questo caso il comportamento sarà turbolento.
L’applicazione più interessante sui fluidi ci viene ancora una volta dalla fisica quantistica: è stato infatti scoperto nel 1937, che alcuni fluidi, in particolare l’elio liquido alla temperatura di 2.17 Kelvin (271 gradi sotto zero) passa per una transizione di fase e diventa superfluido.
Un superfluido è un fluido che non presenta nessun tipo di viscosità.
Questo significa tra l’altro che non ha numero di Reynolds (o se preferite che il numero di Reynolds è infinito), che può scorrere per sempre senza fermarsi mai e che non dissipa calore o energia.
La superfluidità è una proprietà dei bosoni (cfr. l'energia oscura); è stato infatti scoperto che solo l’elio 4 (2 neutroni + 2 protoni) che è un bosone diventa superfluido.
L’elio 3 (1 neutrone + 2 protoni) che è un fermione passa allo stato superfluido solo quando diventa superconduttore (cfr. superconduttori); questo è dovuto al fatto che lo stato superconduttore trasforma i singoli fermioni di elio 3 in coppie di Cooper, che sono invece bosoni, permettendo la superfluidità.
Recentemente si è molto discusso sulla curiosa proprietà che alcuni solidi hanno: è stato infatti scoperto che le vetrate di alcune cattedrali (chi ha detto che in chiesa non si possa fare scienza?) sono molto più spesse in basso che in alto. Questo sembra suggerire che il vetro sia colato col passare del tempo, come un fluido estremamente viscoso.
È stato suggerito che i solidi siano in realtà dei fluidi con viscosità molto elevata, almeno quelli caratterizzati da uno stato amorfo (quelli cioè che non sono cristallini). Esistono infine alcune sostanze intermedie, come la pece e il calcestruzzo che presentano comportamenti tra solido e fluido.
Bibliografia:
http://it.wikipedia.org/wiki/Superfluido
tm
ISBN/EAN:
00000
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Commenti
una chicca
"È stato suggerito che i solidi siano in realtà dei fluidi con viscosità molto elevata, almeno quelli caratterizzati da uno stato amorfo (quelli cioè che non sono cristallini). Esistono infine alcune sostanze intermedie, come la pece e il calcestruzzo che presentano comportamenti tra solido e fluido."
> Aiutami a capire le applicazioni di questa congettura. Qualche esempio...
Applicazione è poter descrivere il vetro o la pece come una sostanza che cola (dunque con una viscosità, una velocità di scorrimento, e tutti i parametri di un fluido) invece che come un solido.
Fai conto che un solido da molte difficoltà, ad esempio non si capisce bene come definire la sua temperatura, mentre descrivere un fluido è molto più semplice.
Fino a qui, d'accordo.
Ma se si scoprisse che il vetro fosse una sostanza che cola, cosa cambierebbe nella tecnologia o nelle nostre esistenze? Cosa nella ricerca? Perdona le domande da profano.
Nella ricerca solitamente si cerca di avere delle categorie chiare: migliorare la conoscenza della struttura dei solidi amorfi è un passo avanti nello studio che se ne può fare. È immaginabile che si arrivi poi a costruire materiali con partiolari caratteristiche.
Pensa che si possono costruire delle plastiline in tutto visivamente uguali al pongo per bambini, ma che quando vengono gettate a terra rimbalzano come palline da tennis
Le applicazioni pratiche della teoria dei fluidi sono innumerevoli; al contrario i solidi amorfi sono ancora mal compresi. Tecnologicamnte studiarne le proprietà può permettere di sviluppare nuovi materiali.
Le nostre vite rstano come sono...
la curiosità di capire e immaginare meglio la natura invece può risultarne accresciuta; dipende dalla vita che uno ha.
"La temperatura, che influenza tutte le proprietà dei fluidi,(...) la viscosità che diminuisce al crescere della temperatura di un liquido"
credimi ci sono delle eccezioni. Miracoli della biologia... esitono alcune proteine che al crescere della temperatura aumentano di viscosità. Una chicca.
"che può scorrere per sempre senza fermarsi mai e che non dissipa calore o energia."
sapevo che esisteva il moto perpetuo. non era solo un'affare di gatti e di tartine