Le auto vanno a benzina... e le persone vanno a tè e caffè (almeno a casa mia)! Se bevete caffè o tè a secchiate, sarete felici che qualcuno abbia avuto il coraggio di inventare un modo super efficiente per trasformare l'acqua fredda in calda: il bollitore elettrico (noto anche come bollitore elettrico per il tè). Lo si riempie d'acqua, lo si collega, lo si accende e in un paio di minuti si ha l'acqua calda pronta per essere bevuta o cucinata. Come funziona esattamente un bollitore? Perché ci mette così tanto a bollire? E come fa a sapere quando spegnersi? Diamo un'occhiata più da vicino!
I bollitori sono tra gli elettrodomestici più semplici. Se si solleva il coperchio e si sbircia all'interno, si vedrà, sul fondo del contenitore dell'acqua, una spirale di metallo spesso chiamata elemento riscaldante. Quando si collega il bollitore alla presa di corrente, l'elemento riscaldante è attraversato da una forte corrente elettrica. La resistenza dell'elemento (la tendenza di qualsiasi materiale a bloccare il passaggio dell'elettricità) trasforma l'energia elettrica in calore. In altre parole, l'elemento si scalda. Essendo a diretto contatto con l'acqua fredda, il calore passa all'acqua per conduzione e riscalda rapidamente anche quest'ultima.
È possibile far bollire l'acqua in tutti i modi, anche in una semplice pentola su un fuoco o una stufa aperta, anche se un bollitore chiuso è di solito molto più veloce: impedisce la fuoriuscita di calore, permette alla pressione di aumentare più velocemente (ricordate che l'acqua bolle quando la pressione del vapore saturo è uguale alla pressione atmosferica) e aiuta l'acqua a bollire più rapidamente. Ma vi capita mai di sentirvi frustrati per il tempo che il vostro bollitore impiega a bollire? Non fatelo! La cosa sorprendente è che il vostro bollitore bolle così velocemente - ed ecco perché.
Se si continua a pompare energia termica sul fondo del bollitore (più velocemente di quanto il calore fuoriesca dalla parte superiore e dai lati), prima o poi l'acqua al suo interno bolle. Una legge fisica di base, chiamata conservazione dell'energia, ci dice che se dovete far bollire un litro d'acqua, partendo dalla stessa temperatura, dovrete sempre aggiungere la stessa quantità di energia per farlo. Che si usi un fuoco da campo o un bollitore, un forno a microonde o un incredibile dispositivo di agitazione alla maniera di James Prescott Joule (vedi riquadro sotto), la quantità di energia da immettere per far bollire l'acqua è esattamente la stessa.
Supponiamo di iniziare con 1 litro (circa 1 chilogrammo) di acqua fredda a circa 10°C e di volerla portare a 90°C fino al punto di ebollizione (100°C). La quantità di energia necessaria è 4,2 × 1000 grammi × 90 gradi = 378.000 joule o 378 kJ.
Il misterioso "4,2" è un valore costante chiamato capacità termica specifica dell'acqua. Ogni materiale ha una diversa capacità termica specifica, che è semplicemente la quantità di energia che bisogna immettere per aumentare la temperatura di un grammo del materiale di un grado centigrado. Per aumentare la temperatura di 1 grammo d'acqua di 1°C è necessario aggiungere 4,2 joule di energia, quindi la capacità termica specifica dell'acqua è di 4,2 J/g/°C.
378kJ per far bollire un litro d'acqua sono più energia di quanto si possa pensare. Una lampada ad alta efficienza energetica da 10 watt consuma 10 joule di energia ogni secondo (perché 1 watt significa consumare un joule al secondo), quindi impiegherebbe 37.800 secondi, circa 10,5 ore, per consumare tanta energia quanta ne consuma il nostro bollitore in una sola ebollizione!
Se si utilizza un bollitore elettrico da 2400 watt, significa che sta consumando 2400 joule di energia elettrica al secondo e che ogni secondo immette nell'acqua (all'incirca) la stessa quantità di energia sotto forma di calore. Dividendo 378.000 per 2400, si scopre che il bollitore impiega circa 160 secondi per fare il suo lavoro, il che sembra giusto: in genere un bollitore elettrico impiega circa 2-3 minuti per bollire. Un vecchio proverbio dice che una pentola sorvegliata (bollitore) non bolle mai, ma risale al tempo in cui la maggior parte delle persone bolliva l'acqua su orrendi e inefficienti fuochi a carbone. Un bollitore elettrico può far bollire l'acqua in un paio di minuti perché è in grado di aggiungere energia termica all'acqua in modo molto più rapido ed efficiente rispetto a un fuoco aperto (che permette al calore di disperdersi in tutte le direzioni).
Se il bollitore ha una potenza nominale di 2400 watt (W) e si utilizza un alimentatore britannico da 240 volt (V), significa che la corrente che attraversa l'elemento è di 2400 / 240 o 10 ampere (A). Per gli standard domestici, si tratta di una corrente elevata: in confronto, il piccolo caricabatterie che ho per il mio iPod assorbe una corrente massima di 0,67 amp; il bollitore ne consuma 15 volte di più! Quindi la risposta a come un bollitore elettrico funziona così velocemente è l'utilizzo di una corrente elettrica relativamente elevata. La quantità di calore prodotta è proporzionale alla corrente al quadrato, quindi le correnti più grandi producono molto più calore - e riscaldano le cose molto più rapidamente - di quelle più piccole.
Se siete stanchi di aspettare e volete che il vostro bollitore bolla più velocemente, ci sono solo due cose da fare. Una è usare più corrente elettrica - in altre parole, acquistare un bollitore più potente; l'altra è usare meno acqua.
I bollitori/dispensatori d'acqua "istantanei" (come Breville Hot Cup e Morphy Richards Meno), che possono far bollire molto rapidamente anche solo una tazza d'acqua, combinano questi metodi. Utilizzano un elemento riscaldante più potente di un normale bollitore (in genere 3000 watt o più) e sono progettati in modo che l'elemento possa funzionare in modo sicuro a contatto con solo una piccola quantità d'acqua. Se si fa bollire solo (ad esempio) un quarto di litro d'acqua, è necessario solo un quarto dell'energia, ad esempio 100.000 joule. E se si fornisce tale energia con un elemento da 3.000 watt, facendo i conti si scopre che è possibile farlo in circa 30 secondi invece che in 2,5 minuti. Riuscite a vedere un altro grande vantaggio? Se fate bollire un intero bollitore per preparare una sola bevanda calda, state sprecando tre quarti dell'energia che state consumando. Far bollire solo la quantità d'acqua necessaria consente di risparmiare una notevole quantità di denaro e aiuta anche l'ambiente.
I primi bollitori elettrici avevano un pericolo incorporato: era relativamente facile accenderli, andare a sbrigare qualche faccenda e poi dimenticarsene. Se si era fortunati, quando si tornava qualche minuto dopo si trovava la cucina piena di nuvole di vapore. Se si è sfortunati, l'elemento del bollitore potrebbe bruciarsi, far saltare un fusibile o addirittura innescare un incendio.
Fortunatamente, quasi tutti i bollitori moderni si spengono automaticamente grazie ai termostati (dispositivi meccanici, elettrici o elettronici che rispondono alle variazioni di temperatura). Molti di essi si basano sul progetto dell'inventore inglese John C. Taylor, le cui aziende Otter Controls e Strix Ltd hanno sviluppato più di un miliardo di termostati di questo tipo in tutto il mondo.
Come funzionano? I più semplici sono meccanici e utilizzano un termostato bimetallico (descritto nel nostro articolo principale sui termostati) integrato nell'elemento sul fondo del bollitore. È costituito da un disco di due metalli diversi strettamente legati tra loro, uno dei quali si espande più velocemente dell'altro all'aumentare della temperatura. Normalmente il termostato è curvato in una direzione, ma quando l'acqua calda raggiunge il punto di ebollizione, il vapore prodotto colpisce il termostato bimetallico e lo fa scattare e flettere improvvisamente nella direzione opposta, un po' come un ombrello che si rovescia al vento. Quando il termostato si apre, spinge una leva che fa scattare il circuito, interrompe la corrente elettrica e spegne il bollitore in modo sicuro. I termostati per bollitori più sofisticati (utilizzati in sistemi come la modaiola caldaia per caffè Marco Über) sono interamente elettronici e consentono di riscaldare l'acqua a temperature precise e di mantenerle indefinitamente, inserendo e disinserendo ripetutamente la corrente.