TERMODINAMICA DEI DISPOSITIVI BARBECUE

Di Mario Acampa

Ognuno di noi, da chi si approccia per la prima volta al Barbecue fino al Pitmaster più navigato, sa che per usare al meglio il proprio dispositivo e per trasformare la ns meravigliosa ciccia in un gustoso piatto vanno eseguite due azioni fondamentali: impostare il dispositivo (o almeno si spera che lo faccia!) e compiere determinate azioni in momenti precisi. Tuttavia penso che tutti, chi più chi meno, ci siamo sempre chiesti perché vanno eseguite certe azioni e perché le nostre meravigliose macchine reagiscono in un certo modo in conseguenza di queste azioni.

Con questo articolo e quelli che seguiranno cercheremo, nel modo più semplice possibile, di capire quali fenomeni fisici e chimici permettono il funzionamento del nostro meraviglioso mondo!

Bando alle ciance ed iniziamo subito con il vedere com’è fatto un dispositivo da Barbecue. In primo luogo abbiamo un involucro esterno che racchiude al proprio interno una porzione di spazio, separata dall’ambiente circostante, che chiameremo “camera di cottura”, cioè lo spazio dove lasceremo le nostre belle prelibatezze a cuocere; nella stragrande maggioranza dei casi tale involucro è metallico (lamiere di acciaio per kettles, bullet smokers, drum smokers e offset smokers, alluminio pressofuso per i meravigliosi PK grills, ghisa per i dutch oven, e nel caso di macchine peculiari come il Kamander oltre la lamiera d’acciaio è presente uno strato di materiale termoisolante ed un ulteriore laminato esterno che racchiuda tutto) oppure ceramico nel caso dei magnifici Kamado.

Ovviamente per cuocere le nostre pietanze abbiamo bisogno di infonderci una certa quantità di CALORE. Questo calore proviene da una sorgente, posta nella nostra camera di cottura, dotata di una certa POTENZA TERMICA; tale sorgente è un bruciatore nei dispositivi a gas, la brace di carbone, legna o pellet negli altri dispositivi a combustibile oppure una resistenza elettrica in quelli elettrici.

In tutti i dispositivi sono presenti delle aperture opportunamente posizionate sugli involucri che servono per due scopi:

1) far entrare da un lato aria fresca per permettere la combustione e fare uscire dall’altro i gas prodotti dalla combustione (e questo vale ovviamente solo per i dispositivi a combustibile)

2) favorire un costante ricircolo e flusso di gas caldi all’interno della camera di cottura (questo vale anche per i dispositivi elettrici anche se non c’è combustione).

Concentriamoci un attimo su questo ricircolo e flusso di gas caldi: esso è il principale mezzo attraverso il quale viene portato il calore prodotto dalla sorgente fino al cibo in cottura (il calore arriva anche in altri modi al cibo ma questo lo vedremo un’altra volta); il parametro che caratterizza in particolare questo flusso di gas caldi è la sua TEMPERATURA. Sappiamo intuitivamente che più questa è alta nella camera di cottura più velocemente avviene la cottura dei cibi.

Ci sono un altro paio di cose che caratterizzano le nostre macchine di cui dobbiamo tenere conto per capirne appieno il funzionamento: la CAPACITÀ TERMICA di trattenere ed accumulare calore in tutte le masse poste al loro interno e la RESISTENZA TERMICA che i loro involucri offrono al disperdere il calore accumulato verso l’ambiente esterno.

Quanta più massa c’è all’interno del nostro dispositivo e quanto più i vari tipi di sostanze che costituiscono tale massa hanno la capacità intrinseca di accumulare calore per unità di massa tanto più calore verrà accumulato e più tempo trascorrerà per far salire la temperatura di un certo numero di gradi in caso di riscaldamento (ad esempio quando accendiamo il nostro dispositivo), altrettanto calore verrà ceduto e tempo trascorrerà per far scendere la temperatura di un certo numero di gradi in caso di raffreddamento (ad esempio quando spengiamo il nostro dispositivo).

Una delle più importanti abilità del pitmaster è capire come sfruttare la massa (che spesso sentiamo nominare come volano termico) per stabilizzare la temperatura nei nostri dispositivi, cioè per fare in modo che la temperatura non vari troppo repentinamente in seguito ad eventuali azioni che compiamo sul dispositivo pagando però lo scotto di non avere una certa reattività ai cambi di temperatura se necessario. Ecco perché una griglia o una piastra in ghisa usati nei nostri kettle ci aiutano a mantenere più stabile la temperatura durante l’uso chiedendoci però in cambio un maggior tempo necessario per portare a temperatura d’esercizio la macchina e per farla raffreddare finito l’uso.

Lo stesso si può dire per macchine particolarmente massicce e fatte di materiale particolarmente capace di trattenere il calore quali sono i Kamado.

Parliamo ora dell’involucro delle nostre belle macchine, questo è probabilmente l’elemento fondamentale di tutto il dispositivo perché dalla sua qualità dipende quanto è isolata la camera di cottura rispetto l’ambiente circostante, ovvero quanto del calore faticosamente prodotto dalla nostra sorgente viene disperso nell’ambiente senza aver partecipato “costruttivamente” alla cottura delle nostre pietanze.

Tanto più è elevato l’isolamento dell’involucro tanto più otteniamo un doppio effetto: da un lato abbiamo bisogno di meno potenza termica e quindi un minor consumo da parte della nostra sorgente di calore per raggiungere una certa temperatura di esercizio, e dall’altro lato otteniamo un effetto stabilizzante del tutto simile a quello ottenuto aumentando la massa all’interno del sistema ed altrettanto diminuisce la reattività del sistema nel cambio delle temperature.

C’è una piccola precisazione da fare ora, contrariamente a quanto si possa ingenuamente pensare, aumentare la massa all’interno del sistema (lasciando inalterati tutti gli altri parametri quali potenza termica della sorgente, tipo di involucro, temperatura ambiente, etc.) rallenta solamente la variazione della temperatura ma non altera la temperatura finale su cui si assesterà il sistema una volta stabilizzatosi.

Bene, abbiamo visto fino ad ora piuttosto genericamente come funziona un dispositivo; adesso, se non vi spaventa qualche formuletta matematica e qualche numero, che vi assicuro servono solo per capire come si comporta “qualitativamente” il nostro bel BBQ, possiamo cercare di approfondire il discorso… niente compiti a casa! Promesso!

Riprendiamo e definiamo meglio alcune delle grandezze termodinamiche cha abbiamo già visto

LA TEMPERATURA: tutti intuitivamente abbiamo un’idea di cosa sia la temperatura, la nostra esperienza sensoriale quotidiana associa il sentire se un oggetto o una sostanza sia più caldo o freddo al fatto che abbia una maggiore o minore temperatura, ma di cosa si tratta in particolare? È un indice di quanta energia termica, ovvero quanto calore, è accumulato in una data porzione di materia. Più è alta la temperatura e più è alto il calore accumulato tanto più le molecole che costituiscono la materia si agitano, vibrano; ed è proprio quando questa agitazione supera ben determinati livelli che avvengono tutta una serie di reazioni sia chimiche che fisiche i cui effetti in cucina si chiamano “cottura”. La temperatura la indichiamo con la lettera T maiuscola e la misuriamo in gradi centigradi (simbolo °C).

IL CALORE: è una delle tante e mutevoli forme che assume l’ENERGIA, che come abbiamo già visto forniamo con le nostre belle “fonti di calore” (il bruciatore a gas, il carbone, il pellet, la legna ardente o una resistenza elettrica) affinché si accumuli nella massa della nostra ciccia per farne salire la temperatura e quindi cuocerla. Il calore o energia termica la indichiamo con la lettera Q maiuscola e lo misuriamo in Joule (simbolo J).

POTENZA TERMICA: detta anche flusso termico è la quantità di calore emessa da una sorgente oppure accumulata in una massa nell’unità di tempo. Si indica con la lettera P maiuscola e si misura in Watt (simbolo W). 1 W è pari alla quantità di calore di 1 J (Joule) emessa/accumulata in 1 s (secondo) di tempo, quindi 1 W = 1 J / 1 s, 1 W = 1 J/s. Altrettanto una fonte di potenza termica di 1 W in 1 s emette 1 J di calore, 1 J = 1W x 1 s.

CAPACITÀ TERMICA: è la capacità di una determinata massa di accumulare un certo calore per ogni grado centigrado di aumento della sua temperatura; si indica con la lettera C maiuscola e si misura in J/°C o, il che è lo stesso, in Ws/°C.

RESISTENZA TERMICA: è la resistenza che offre una a massa (per i nostri scopi l’involucro del dispositivo) alla dispersione di calore attraverso di essa, ed è data dalla differenza di temperatura che si instaura tra interno ed esterno dell’involucro per ogni unità di potenza termica, ovvero di flusso termico, che attraversa l’involucro; si indica con la lettera R maiuscola e si misura in °C/W.

Date queste definizioni, se indichiamo con:

T(t)        la temperatura interna del dispositivo in funzione di come varia nel tempo (indicato con il simbolo t)

T_a            la temperatura ambiente esterna

P             la potenza termica della nostra sorgente di calore

R             la resistenza termica del nostro involucro

C             la capacità termica delle masse contenute nel dispositivo

si ha che queste grandezze sono legate dalla seguente formula matematica:

La maggior parte di voi starà ora pensando: ma che è sta roba?!

Niente panico! Ora vi mostro come si traduce graficamente questa formula osservando come evolve qualitativamente nel tempo la temperatura all’interno del nostro dispositivo. Quelli di voi che posseggono un termometro digitale con collegamento WiFi e app sullo smartphone avranno già familiarità con il grafico cartesiano che sto per mostrarvi, dove in ascissa (asse orizzontale) è mostrato il tempo, in secondi, che passa dall’accensione del dispositivo per tutta l’ora successiva  (3600 secondi) mentre in ordinate (asse verticale) è mostrata una scala delle temperature che ho riportato in un range opportuno per le nostre analisi da 0 °C fino a 140° C.

La curva rappresentata in blu ci dice a quale temperatura T si trova la nostra camera di cottura in un determinato istante di tempo t; la linea orizzontale rappresentata in rosso ci mostra invece la temperatura finale T_f che si raggiungerà quando il sistema si stabilizzerà (T_f si calcola sommando alla temperatura ambiente esterna T_a il prodotto tra la potenza termica P e la resistenza termica R).

Per questo grafico sono stati utilizzati i seguenti valori delle grandezze termodinamiche coinvolte: T_a = 20 °C, P = 100 W, R = 1 °C/W, C = 500 Ws/°C, pertanto T_f = 120 °C.

Come si può vedere all’inizio la temperatura interna è ovviamente pari a quella ambiente esterna ed inizia a salire con velocità sempre inferiore man mano che passa il tempo fino a raggiungere ad un certo punto la temperatura finale di equilibrio.

Perché?

Perché all’inizio il calore che viene fornito va in larga parte ad accumularsi nella capacità termica delle masse nel dispositivo, contribuendo all’aumento di temperatura graduale e disperdendosi pochissimo attraverso l’involucro, poi, passato un tempo sufficiente, le masse nel dispositivo si satureranno di calore e non ne accumuleranno più, pertanto non aumenteranno oltre la temperature interna che si stabilizzerà al valore finale di equilibrio. Da questo momento tutto il calore fornito servirà a sostenere a questa temperatura il sistema disperdendosi nell’ambiente.

Vediamo ora cosa accade se cambiamo uno alla volta i valori delle varie grandezze termodinamiche che abbiamo visto.

Immaginiamo di avere una temperatura ambiente di 30 °C e non di 20 °C e confrontiamo, sovrapponendoli, il precedente grafico e quello che si ottiene con la temperatura ambiente diversa. Rappresentiamo con una curva grigia la temperatura nella camera di cottura con T_a1 = 30 °C e con una linea gialla la temperatura finale di equilibrio con T_a1 = 30 °C  

Possiamo osservare che gli andamenti nel tempo sono praticamente gli stessi a meno di uno spostamento verticale delle curve. In pratica cambia solo la temperatura finale di equilibrio che con T_a1 = 30 °C vale T_f1 = 130 °C.

Questo cosa ci insegna?

Che variazioni della temperatura ambiente influiscono solo sulla temperatura di equilibrio finale e non su quanto tempo impiega il dispositivo a stabilizzarsi.

Ora pensiamo di raddoppiare la potenza termica che forniamo al nostro sistema (apriamo di più la manopola del gas oppure le vents in e out di un kettle) che si porta ad un valore P₂ = 200 W. Come prima sovrapponiamo i grafici e rappresentiamo con una curva grigia la temperatura nella camera di cottura con P₂ = 200 W e con una linea gialla la temperatura finale di equilibrio con P₂ = 200 W

Notiamo che anche qui i tempi di stabilizzazione sono praticamente gli stessi ma che c’è una grossa differenza sulla temperatura finale di equilibrio che è paria a T_f2 = 220 °C.

Cosa è successo? Quello che intuitivamente ci aspetteremmo: se aumentiamo la potenza aumenta la temperatura finale di equilibrio a cui si porta a lavorare il nostro dispositivo.

Prendiamo ora un bel Kamado, e consideriamo che la ceramica con cui è fatto sia tale da far raddoppiare la resistenza termica del sistema (la ceramica fa disperdere meno calore attraverso le pareti) con un valore R₃ = 2 °C/W. Anche qui sovrapponiamo i grafici e rappresentiamo con una curva grigia la temperatura nella camera di cottura con R₃ = 2 °C/W e con una linea gialla la temperatura finale di equilibrio con R₃ = 2 °C/W.

È lampante il fatto che, sebbene i tempi di stabilizzazione siano sostanzialmente raddoppiati, abbiamo ottenuto un aumento della temperatura finale di stabilizzazione T_f3 = 220 °C identico al caso precedente ma senza raddoppio della potenza termica! Cioè? per ottenere la stessa temperatura abbiamo bisogno di metà della potenza e quindi metà consumo di combustibile! Ecco perché il miglior isolamento termico dei Kamado consente un minor consumo!

Infine poniamo di mettere una bella massa nel nostro dispositivo (una pesante piastra in ghisa o dei mattoni refrattari ad esempio) tale da far raddoppiare la capacità termica del sistema C₄ = 1000 Ws/°C. Come al solito sovrapponiamo i grafici e rappresentiamo con una curva grigia la temperatura nella camera di cottura con C₄ = 1000 Ws/°C e con una linea gialla la temperatura finale di equilibrio con C₄ = 1000 Ws/°C.

Vediamo che la temperatura finale di equilibrio è la stessa ed identica T_f4 = 120 °C (la linea gialla si sovrappone alla rossa) mentre raddoppiano i tempi di stabilizzazione. Cosa significa? Significa che aumentare la massa nel nostro dispositivo rallenta la variazione della temperatura nel tempo rendendola più stabile.

Bene! That’s all Folks! Ora cosa state aspettando? Non volete verificare sul campo?

Edit by Mario Acampa