La coalescenza durante la gramolatura, è un fenomeno spontaneo?

Tecnica e Ricerca

1 mese fa

Alessandro Vujovic

Come etimologia il termine coalescenza deriva dal latino coalescentia, e da coalescens -entis, participio presente del verbo coalescĕre nel senso di “unirsi e congiungersi”, anche dal greco antico ἀλθω e dal verbo latino alere , nel senso di “aumentare, accrescere, favorire, rafforzare, promuovere, alimentare, fondere”, col prefisso co- (intendendo crescere assieme, uniti).
Oggi il termine coalescenza viene declinato in varie modalità che afferiscono a differenti campi di studio, dalla fonologia all’astrofisica, dalla filosofia e anatomia fino alla fisica.

La fisica è quella che più solitamente riconduce al fenomeno della coalescenza, per il quale le gocce di un liquido disperse in un altro non miscibile, si aggregano formando masse più grandi che tendono a isolarsi dal liquido ospitante, come una quantità di olio quando viene mescolato con l’acqua. Ciò avviene a causa della “tensione superficiale”, ovvero i liquidi si sforzano al fine di ridurre al minimo la loro superficie, il che alla fine si traduce, per una goccia, ad una minore superficie sferica, del rispettivo liquido, rispetto alla gocciolina di partenza (difatti la sfera è il solido che ha la superficie più piccola rispetto a tutte le figure solide, chiaramente a parità di volume).

La tensione superficiale è una grandezza che esprime la resistenza della superficie libera di un liquido, dovuta all’adesione tra le sue molecole, che si oppone all’aumento della superficie libera a seguito delle forze che agiscono tra di loro.

Da un punto di vista chimico un liquido è formato da tantissime molecole legate da forze attrattive, le quali consentono al liquido di non disperdersi. Pertanto le molecole, presenti all’interno del liquido, sono attratte da tutte le direzioni dello spazio, per cui la forza risultante sulla molecola, sarà nulla. Invece le molecole in prossimità della superficie saranno attratte solo verso l’interno del liquido e questa situazione implica che, per portare una molecola interna al liquido verso la superficie libera, è necessario compiere un lavoro contro la forza descritta. Portare altre molecole dall’interno del liquido verso la superficie significa aumentare la superficie libera che richiede un lavoro: questa forza necessaria per compiere questo lavoro è la tensione superficiale.

La tensione superficiale possiamo notarla quando una moneta oppure una zanzara galleggia sulla superficie dell’acqua, in pratica è la forza che si oppone al peso della moneta o a quella dell’insetto (nel punto in cui è appoggiata la zampetta si può osservare che essa è leggermente incurvata in basso, così come un telo si piega quando vi si appoggia un oggetto), oppure possiamo contrastarla quando usiamo un tensioattivo per dissolvere -in acqua- un grasso nel lavaggio di un indumento.

Tutto ciò significa che la superficie libera oppone una certa resistenza quando si cerca di aumentare la sua estensione per effetto della “tensione superficiale”.

Nella coalescenza il fenomeno è inverso, cioè quello di diminuire la superficie delle goccioline come fenomeno spontaneo che non richiede energia, mentre richiede una certa energia per emulsionare un olio in un volume di acqua.

Ad esempio, se prendo un recipiente con olio di oliva e acqua, lo chiudo e lo agito violentemente per un certo tempo (sto utilizzando energia per disgregare la massa di olio in minutissime goccioline), si forma una emulsione olio/acqua, dall’aspetto lattescente. Se lascio in riposo questo recipiente, posso vedere che le piccolissime goccioline di olio che erano disperse uniformemente nel recipiente, risalire verso la superficie e, in questo tratto di spazio che percorrono, unirsi tra di loro e formare un unico strato liquido di olio.
Questa fusione è la “coalescenza”.

Più le goccioline sono piccole, più il liquido sarà un’emulsione densa, maggiore sarà la difficoltà a riaggregarsi tra di loro, inoltre minore sarà la temperatura dell’emulsione e maggiore sarà il tempo che le goccioline impiegano per riunirsi.

Se analizziamo il fenomeno da un punto di vista fisico, vediamo che, per aumentare la superficie di un liquido (le nostre gocce di olio per ridurle in volumi più piccoli, nelle emulsioni), è necessario un dispendio energetico ovvero occorre applicare, come nell’esempio, un certo sforzo fisico (nel nostro caso meccanico).

In fisica, la tensione superficiale è il rapporto tra il lavoro da svolgere e il guadagno superficiale (aumento della superficie del liquido, in questo caso olio) che risulta dal lavoro svolto: σ = ΔW/ΔA (SI – unità: N/m) [dove σ è la tensione superficiale, il ΔA è l’aumento della superficie del liquido, F è lo sforzo che necessita per aumentare la superficie, ΔW è il dispendio energetico cioè (Fx ΔS) ed infine ΔS l’aumento del volume del liquido.

Esempio pratico: se prendiamo due sfere di raggio 2 cm, ciascuna avrà un volume (V = 4/3 π r3 cioè V = 4/3 x 3,14 x 23 = 33,51 cm3 ed una superficie di 50,26 cm2. Le due sfere prima della fusione hanno una superficie totale di 100,52 cm2. Ora il volume di una sfera, proveniente dalla fusione delle due, avrà un volume 67,02 cm3 (33,51×2) ed una superficie totale di 79,79 cm2. Quindi siamo passati da una superficie totale delle singole due sfere, di 100,52 cm2, ad una superficie minore formata da una unica sfera più grande (raggio 2,5 cm), come conseguenza della coalescenza tra le due, pari a 79,79 cm2.

Da un punto di vista termodinamico, la “coalescenza” è un processo spontaneo ovvero, per svolgersi, non necessita di un apporto energetico a spese dell’ambiente. Questo perché il volume della goccia di olio grande è pari alla somma dei volumi delle singole goccioline di partenza, mentre l’area della superficie della goccia grande è minore della somma delle aree delle superfici delle singole goccioline. Ciò vuol dire che la coalescenza comporta una diminuzione dell’area totale relativa alle superficie dell’interfaccia che separa le due fasi (la fase dispersa, costituita dall’olio e la fase continua, in cui tali entità sono immerse, ovvero l’acqua di vegetazione).