Le macchine non sempre riescono a sopportare il caldo: due ingegneri spiegano la fisica alla base di come le ondate di calore minaccino tutto, dalle automobili ai computer

Feb 23, 2024

Pubblicato da: Norhasnima Dimacaling30 agosto 2023

di Srinivas Garimella, Georgia Institute of Technology e Matthew T. Hughes, Massachusetts Institute of Technology (MIT), [Questo articolo è apparso per la prima volta su The Conversation, ripubblicato con il permesso]

Non solo le persone hanno bisogno di stare al fresco, soprattutto in un’estate di ondate di caldo da record. Molte macchine, inclusi cellulari, data center, automobili e aeroplani, diventano meno efficienti e si degradano più rapidamente in condizioni di caldo estremo. Anche le macchine generano il proprio calore, che può rendere ancora più calde le temperature intorno a loro.

Siamo ricercatori ingegneristici che studiano il modo in cui le macchine gestiscono il calore e i modi per recuperare e riutilizzare in modo efficace il calore che altrimenti verrebbe sprecato. Esistono diversi modi in cui il calore estremo influisce sulle macchine.

Nessuna macchina è perfettamente efficiente: tutte le macchine sono soggette ad attrito interno durante il funzionamento. Questo attrito fa sì che le macchine dissipino parte del calore, quindi più caldo è fuori, più calda sarà la macchina.

Anche i telefoni cellulari e dispositivi simili con batterie agli ioni di litio smettono di funzionare quando operano in climi superiori a 95 gradi Fahrenheit (35 gradi Celsius) – questo per evitare il surriscaldamento e un maggiore stress sui componenti elettronici.

I progetti di raffreddamento che utilizzano fluidi innovativi a cambiamento di fase possono aiutare a mantenere le macchine fresche, ma nella maggior parte dei casi il calore viene comunque dissipato nell'aria. Quindi, più calda è l’aria, più difficile è mantenere una macchina sufficientemente fresca da funzionare in modo efficiente.

Inoltre, più le macchine sono vicine tra loro, maggiore sarà il calore dissipato nell’ambiente circostante.

Temperature più elevate, dovute alle condizioni meteorologiche o al calore in eccesso irradiato dai macchinari, possono causare la deformazione dei materiali nei macchinari. Per capirlo, considera cosa significa temperatura a livello molecolare.

Su scala molecolare, la temperatura è una misura di quanto le molecole vibrano. Quindi più fa caldo, più vibrano le molecole che compongono tutto, dall’aria al suolo, ai materiali nei macchinari.

Quando il metallo viene riscaldato, le molecole in esso contenute vibrano più velocemente e lo spazio tra loro si allontana. Ciò porta il metallo ad espandersi.

Man mano che la temperatura aumenta e le molecole vibrano di più, lo spazio medio tra loro cresce, provocando l’espansione della maggior parte dei materiali mentre si riscaldano. Le strade sono un posto in cui è possibile verificarlo: il cemento caldo si espande, si restringe e alla fine si rompe. Questo fenomeno può accadere anche ai macchinari e gli stress termici sono solo l’inizio del problema.

Le alte temperature possono anche modificare il comportamento degli oli nel motore della tua auto, portando a potenziali guasti al motore. Ad esempio, se un’ondata di caldo rende la temperatura di 30 gradi F (16,7 gradi C) più calda del normale, la viscosità – o spessore – dei tipici oli per motori di automobili può cambiare di un fattore tre.

I fluidi come gli oli motore diventano più fluidi man mano che si riscaldano, quindi se fa troppo caldo, l'olio potrebbe non essere abbastanza denso da lubrificare e proteggere adeguatamente le parti del motore da una maggiore usura.

Inoltre, una giornata calda farà espandere l'aria all'interno dei pneumatici e ne aumenterà la pressione, il che potrebbe aumentare l'usura e il rischio di slittamento.

Inoltre, gli aeroplani non sono progettati per decollare a temperature estreme. Quando fuori fa più caldo, l’aria inizia ad espandersi e occupa più spazio di prima, rendendola più sottile o meno densa. Questa riduzione della densità dell'aria diminuisce la quantità di peso che l'aereo può sostenere durante il volo, il che può causare notevoli ritardi di viaggio o cancellazioni del volo.

In generale, i componenti elettronici contenuti in dispositivi come telefoni cellulari, personal computer e data center sono costituiti da molti tipi di materiali che rispondono in modo diverso ai cambiamenti di temperatura. Questi materiali si trovano tutti uno accanto all'altro in spazi ristretti. Pertanto, all'aumentare della temperatura, diversi tipi di materiali si deformano in modo diverso, portando potenzialmente a usura e guasti prematuri.

Le batterie agli ioni di litio nelle automobili e nei dispositivi elettronici generali si degradano più rapidamente a temperature operative più elevate. Questo perché temperature più elevate aumentano la velocità delle reazioni all'interno della batteria, comprese le reazioni di corrosione che riducono il litio nella batteria. Questo processo consuma la sua capacità di stoccaggio. Ricerche recenti mostrano che i veicoli elettrici possono perdere circa il 20% della loro autonomia se esposti a temperature prolungate di 90 gradi Fahrenheit.