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RICERCA DI FISICA: Caffettiera Moka

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Ricerca di Fisica:


Caffettiera Moka










Struttura:

La caffettiera moka è una macchina che sfrutta il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso dell'acqua, per estrarre dalla polvere di caffè gli aromi che contraddistinguono il profumo e il sapore della bevanda stessa.

Essa è costituita da tre parti principali: una caldaia, in cui l'acqua viene riscaldata, un filtro, che contiene la polvere di caffè, e un bricco, in cui viene raccolta la bevanda.

La caldaia è riempita d'acqua fino alla valvola di sicurezza e chiusa con un filtro, a forma di 222f54c imbuto, che viene parzialmente immerso nell'acqua.



Caldaia dotata di valvola di sfogo (di sicurezza)

Filtro in cui mettere la polvere di caffè

Bricco, serbatoio superiore, con al centro un tubicino aperto da cui fuoriesce il caffè ormai pronto

Alla base del bricco vi è un ulteriore filtro sorretto da una guarnizione di gomma


Funzionamento:

Il calore fornito dal fornello scalda sia l'acqua della caldaia, sia il sottile strato di vapore che si interpone tra il filtro e l'acqua stessa. All'aumentare della temperatura aumenta l'agitazione termica delle molecole del vapore e, quindi, anche la pressione.

(A 25°C la pressione del vapore saturo è di circa 3 kPa).

Quando la pressione assume il valore di 50 kPa, il vapore esercita una spinta, sulla superficie dell'acqua che, vincendo la forza di gravità, porta l'acqua stessa a risalire attraverso il filtro.

La pressione che il vapore esercita sull'acqua si distribuisce uniformemente in tutte le direzioni secondo il principio di Pascal per cui l'unica "via d'uscita" per il liquido risulta l'imbuto che porta al filtro.















La porzione d'acqua più vicina all'estremità inferiore dell'imbuto, la prima ad essere spinta verso l'alto, ha una temperatura di 80°C ed è sottoposto a una pressione complessiva di150kPa. (Pressione atmosferica, 100 kPa + 50kPa, pressione di vapore).

La temperatura di ebollizione per questo valore di pressione corrisponde a 110°C, per cui l'acqua sale senza mai bollire.

L'acqua fluisce, quindi, attraverso la polvere di caffè accogliendo in se gli oli presenti sulla superficie dei granelli e trasformandosi così nella bevanda a tutti familiare.

Mentre l'acqua, ormai trasformata in caffè, raggiunge il bricco dove verrà raccolta; nella caldaia continua ad aumentare la pressione finche nella caldaia si esaurisce l'acqua e vi rimane solo vapore alla temperatura di 90°C e alla pressione di 200 kPa.

La risalita del vapore provoca il gorgoglio

Infine, sempre spinto dalla pressione, il caffè giunge nel bricco. Quando invece non vi è più del tutto acqua da spingere, l'aria calda è libera di sfuggire dal sistema: in effetti, se vi badate, la fine della preparazione del caffè è sempre accompagnata da uno sbuffo di vapore, che si libera dal condotto di flusso.


Caratteristiche che la caffettiera e il caffè devono avere:

Il beccuccio del filtro, che viene inserito nella caldaia, non deve essere troppo corto, altrimenti l'acqua potrebbe raggiungere l'ebollizione o essere spinta da una pressione troppo elevata. La valvola di sicurezza posta all'esterno della caldaia serve proprio a limitare il valore massimo della pressione. Allo stesso tempo, però, il beccuccio non deve essere troppo lungo altrimenti l'acqua salirebbe dopo poco tempo dall'accensione del fornello con una temperatura più bassa e spinta da una pressione minore. Il che comprometterebbe la qualità della bevanda.

Anche la polvere di caffè, così come la caffettiera, deve avere determinate caratteristiche per poter ottenere una buona bevanda. Dato che l'acqua passa attraverso la polvere un'unica volta, questa deve essere macinata finemente, in modo da aumentare la superficie di contatto e favorire l'estrazione delle sostanze solubili presenti nel caffè tostato.

Nel processo di tostatura i chicchi di caffè vengono sottoposti ad una serie di trasformazioni chimiche indotte da cambiamenti di temperatura. Attraverso questo procedimento gli zuccheri vengono caramellizzati e gli amminoacidi degradati ad ossazolo e pirazina, che sono le sostanze da cui ha origine l'aroma caratteristico del caffè. Queste trasformazioni producono anche dieci chilogrammi di anidride carbonica (CO2) per ogni chilogrammo di caffè.


Una bomba in cucina:

La caffettiera è conosciuta come uno strumento da cucina molto utile ma ci sono lati oscuri di essa che la possono trasformare in una vera e propria bomba che può minacciare il soffitto e le pareti della cucina, ma anche l'incolumità di chi si trova vicino ai fornelli.



Tutto ciò può succedere nel caso in cui la valvola di sicurezza, posta alla base della caffettiera, venga ostruita, ad esempio in caffettiere molto vecchie, ma anche nel caso in cui venga ostruito il filtro.

Una polvere troppo fine e molto pressata può diventare quasi impenetrabile per l'acqua e provocare l'ostruzione del filtro. In questa condizione la pressione nella caldaia può crescere a tal punto da spanare la filettatura sulla quale è avvitata la parte superiore della caffettiera e provocarne l'apertura.

Le caffettiere che si trasformano in bombe possono essere davvero molto pericolose. Facciamo un esempio in cui sia il filtro che la valvola sono ostruiti e 100 grammi di acqua si riscaldano in un volume chiuso appena un po' più grande di quello occupato dall'acqua stessa.

Tutta l'acqua si trasformerà in vapore solo una volta raggiunti i 373 °C = 646 K.

La pressione del vapore all'interno della caldaia può essere ricavata dall'equazione dei gas perfetti:

PV = nRT


Dove:

n = m/M (m = massa del gas, M = massa di una mole dello stesso gas)

m =100 g

M=18 g/mol

R= 8.31 J/ (mol K)

V= 100g = 0,1 kg = 0,1 l = 0,01 dm3 = 0,0001m3


Perciò, sapendo che P = nRT :

V

100 g. 8,31 J / mol K 646 K.

P = 18 g/mol 29823,667 N · m = 2,9823667 · 104 N =

0,0001m3 0,0001 m3 10-5 m2


= 2,9823667 · 109 Pa.


Questa è, circa, la pressione che si ha nella "Fossa delle Marianne" (la fossa oceanica più profonda al mondo). Anche l'energia in gioco è impressionante tanto che l'esplosione può proiettare alcune parti della moka con velocità fino a centinaia di metri al secondo.

Un effetto particolare legato a questa esplosione è il seguente: chi è in prossimità della caffettiera e viene investito dal getto di vapore e polvere di caffè surriscaldati, un istante dopo, avvertirà un senso di freddo piuttosto che di caldo.

La spiegazione di ciò sta nel fatto che l'espansione del vapore a seguito dell'esplosione è molto rapida ed il vapore non ha tempo di scambiare calore con l'ambiente: l'espansione del vapore è, cioè, una trasformazione adiabatica.


Riferimenti alla fisica:

Passaggio dallo stato liquido a quello gassoso o Vaporizzazione:

Se si mette un recipiente pieno d'acqua sul fuoco e se ne misura la temperatura, si nota che essa aumenta regolarmente mentre sulla superficie dell'acqua si sprigiona vapore.

L'acqua comincia a bollire quando la temperatura raggiunge i 100°C e mantiene costante questa temperatura finché non si è tutta trasformata in vapore.

100°C è la temperatura di ebollizione dell'acqua.

Prima di raggiungere i 100°C il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore avviene soltanto sulla superficie del liquido (Evaporazione) mentre durante l'ebollizione la formazione del vapore avviene in tutta la massa del liquido.

A questo proposito è importante definire il concetto di calore latente di vaporizzazione ovvero la quantità di energia (ΔE) necessaria per far passare la massa unitaria (m) di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso, mantenendo la temperatura costante.

Lv ΔE

m


Pressione del vapore saturo:

L'evaporazione consiste nella fuga di molecole ad alta energia cinetica dalla superficie di un liquido.

Se il vapore rimane al di sopra del liquido, un certo numero di molecole che si trovano nello stato di vapore riesce a ritornare dentro il liquido. Nel caso in cui l'evaporazione avvenga in un luogo chiuso all'aumentare della densità del vapore aumenta il numero delle molecole ce rientrano nel liquido. Il processo raggiunge, poi, uno stato di equilibrio in cui il numero di molecole che esce dal liquido è uguale, in media, a quello delle molecole che vi ritornano.

L'ambiente diventa in questo modo saturo di vapore, il vapore, cioè, raggiunge la massima concentrazione possibile per la temperatura a cui si trova.

La pressione del vapore saturo è, perciò, la pressione che il vapore esercita, in queste condizioni, sulle pareti del recipiente. Essa aumenta al crescere della temperatura perché le molecole acquistano un'energia cinetica media più alta e hanno così una maggiore tendenza ad evaporare.

Se un liquido evapora all'aperto la pressione del vapore saturo è solo una parte della pressione totale. Nell'acqua sono presenti piccole bollicine di vapore che in condizioni di equilibrio hanno all'interno una pressione uguale a quella del vapore acqueo saturo che contengono. Una volta raggiunta la temperatura di 100°C,pressione interna (dovuta al vapore acqueo) e pressione esterna si eguagliano. Le bollicine crescono di diametro e sono spinte a galla dalla spinta di Archimede (per cui un corpo immerso in un liquido riceve una spinta verso l'alto uguale al peso del liquido che il corpo stesso sposta):l'acqua, quindi, bolle.  




Principio di Pascal:

Se poniamo un palloncino pieno d'aria all'interno di un recipiente chiuso da un pistone , per effetto della pressione esercitata dal pistone stesso il palloncino si rimpicciolisce.

Esso , però, mantiene la propria forma sferica , questo perché subisce dappertutto la stessa pressione. Quest'ultima appare, inoltre, in ogni punto perpendicolare alla superficie del palloncino.

La spiegazione di tutto ciò è descritta dalla legge di Pascal secondo la quale la pressione esercitata su una superficie qualsiasi di un liquido, si trasmette con la stessa intensità su ogni altra superficie a contatto con il liquido stesso, indipendentemente da come questa è orientata.

Questa proprietà dei liquidi viene sfruttata in diverse tecnologie per amplificare le forze e anche per trasmetterle da un punto all'altro. Un esempio di dispositivo che basa il proprio funzionamento su questa proprietà è il torchio idraulico.


Equazione dei gas perfetti:

Essa è ricavata a partire da una massa di gas alla temperatura T0= 273 K sottoposta a una pressione p0 che occupa un volume V0.

Mantenendo costante la temperatura, si fa passare la pressione da p0 a p.(Legge di Boyle)

V0'= V0 · p0

P

Mantenendo costante la pressione, si fa passare la temperatura da T0 a T (Prima legge di Gay-Lussac).

V = V0' · T

T0

Si ottiene , quindi:


V0 · p0

V =   p . T

T0


Moltiplicando per p i due membri si ottiene:


pV= V0 · p0 T

T0


L'espressione tra parentesi sappiamo essere un valore che dipende unicamente dalla quantità di gas preso in considerazione ed è direttamente proporzionale a n.

Per cui si può scrivere:   pV = nRT dove R è la costante del gas perfetto e vale 8,3143 J/mol K.

L'equazione di stato afferma, in sintesi, che il prodotto della pressione per il volume è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta.


Trasformazione adiabatica:

Per trasformazione adiabatica si intende una trasformazione in cui il sistema non scambia calore con l'esterno, Q = 0. Mettendo del gas all'interno di un contenitore isolante chiuso da un pistone e facendo diminuire lentamente la pressione, togliendo pesetti dal pistone stesso, si osserverà che il gas si espande,compiendo così un lavoro positivo. Se il numero dei pesetti viene aumentato il lavoro risulterà negativo e il gas si comprimerà.

Dato che il calore scambiato è nullo il primo principio della termodinamica, che esprime la conservazione dell'energia totale del sistema e dell'ambiente,diventa:

ΔU = QTOT WTOT W = W

Per cui se W è positivo, ΔU è negativo e viceversa: quindi, durante un'espansione adiabatica la temperatura del fluido omogeneo diminuisce,questo perché il lavoro compiuto sollevando il pistone avviene a spese di una parte della sua energia interna. Durante una compressione avviene, invece, il contrario.

Bibliografia:

Informazioni tratte da:

CORSO DI FISICA 1-2, Zanichelli, Ugo Amaldi,

www.qinf.fisica.unimi.it,

www.tutto.net,

www.iscra.net.







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