In questo articolo voglio semplicemente illustrare alcuni aspetti di termodinamica elementare che dovrebbero essere ben conosciuti da chiunque abbia frequentato una scuola superiore, ma purtroppo sappiamo che la comprensione degli aspetti scientifici, anche i più fondamentali e magari anche banali, non è la maggiore priorità della nostra scuola.
Per cui conviene ripetere alcuni concetti di base.
Il calore è una forma di energia, e corrisponde all'energia cinetica del moto di atomi e molecole che compongono ogni oggetto fisico. La temperatura è una conseguenza e in un certo modo una misura di questa energia, e per capire la loro differenza, oltre ai libri del liceo, ci sono molti siti in rete, tra cui questo (che è il primo che ho trovato).
Lo scambio di calore tra due oggetti può avvenire solo in due modi: per conduzione e per irraggiamento. La conduzione avviene quando i due oggetti sono in contatto diretto, e le molecole del più caldo, che si muovono con una energia cinetica maggiore, urtando quelle più lente dell'oggetto freddo gli trasferiscono energia cinetica e quindi lo scaldano.
L'irraggiamento dipende invece dal fatto che proprio per il movimento degli atomi e delle molecole, ogni materiale emette delle radiazioni elettromagnetiche, la cui intensità e banda di lunghezza d'onda dipende dalla temperatura del materiale stesso (emissione di corpo nero). Questa radiazione si propaga anche attraverso l'aria (viene ovviamente in parte assorbito dall'aria stessa) e viene assorbita dagli atomi e molecole dell'altro materiale che ne ricevono energia. Un corpo più caldo emette più radiazione e anche a lunghezza d'onda più corta, e quindi più energetica, di uno freddo, e il risultato del reciproco scambio di radiazione è che il corpo freddo si riscalda.
In molti testi si legge di un terzo modo di scambio di calore, la convezione, ma è un concetto abbastanza sbagliato, perché la convezione è un meccanismo di trasporto di calore in un fluido, liquido o gas, grazie al fatto che un fluido più caldo ha densità minore e quindi nel campo gravitazionale in cui ci troviamo a vivere tende a salire verso l'alto, spostando quindi calore da una sorgente calda in basso ad una più fredda in alto, ma lo scambio di calore tra le sorgenti e il fluido avviene sempre e solo per conduzione, cioè per urto delle molecole tra di di loro.
In un forno elettrico il calore è prodotto dal passaggio di corrente elettrica in una resistenza, cioè un normale conduttore metallico, che per effetto Joule si riscalda, e quindi per conduzione riscalda l'aria con cui è in contatto, diffondendo il calore nell'intero volume del forno. La radiazione elettromagnetica della resistenza, che è una parte sostanziale della sua emissione di energia, raggiunge e scalda qualunque parte del forno che sia a vista della resistenza stessa.
Passiamo ora a vedere il reale funzionamento di un forno elettrico che ha, normalmente, due resistenze, una in basso e una in alto, più eventualmente una resistenza accoppiata alla ventola che smuove l'aria nel forno. La resistenza inferiore è normalmente schermata dal fondo metallico del forno stesso, per cui lo scalda per irraggiamento e riscaldando l'aria che li separa, ma il suo irraggiamento non può raggiungere direttamente l'oggetto che è messo nel forno.
La resistenza superiore è invece normalmente a vista, e quindi, mentre l'aria che è direttamente riscaldata da questa resistenza tenderà ad andare ancora più in alto, influenzando poco la temperatura complessiva del forno, il suo irraggiamento raggiungerà direttamente qualunque cosa messa nel forno, ma principalmente la sua parte superiore.
Vale ora la pena osservare che la temperatura che si seleziona con la manopola di controllo del forno corrisponde ad un limite per un termostato la cui sonda è inserita normalmente in una parte alta del forno, e superando questo limite l'alimentazione elettrica alle resistenze si interrompe. Ma da quanto detto prima, dovrebbe risultare evidente che parti diverse del forno potrebbero raggiungere temperature diverse, e anche più alte, prima che il termostato intervenga. Ma vedremo meglio in seguito.
Vediamo ora alcune conseguenze banali di quanto detto prima che hanno qualche importanza per la panificazione casalinga (comprese le pizze).
Prima cosa: il fondo del forno raggiunge una temperatura abbastanza più alta di quella impostata sul termostato (che al momento supponiamo al massimo di un forno classico, cioè 250 ºC come il mio). Poichè la temperatura di una resistenza di cui si incomincia a vedere una luminosità rossastra, come nei nostri forni, si avvicina ai 1000 ºC, il fondo del forno riceve direttamente la radiazione della resistenza inferiore, a circa un centimetro di distanza, ed è riscaldato anche dall'aria arroventata che proviene dalla resistenza stessa. Si raffredda scaldando a suo volta l'aria che gli sta sopra, che si muoverà verso l'alto mentre aria più fredda scenderà a raffreddarlo. Nel mio forno la temperatura della piastra inferiore del forno, con termostato a 250 ºC, sta tra i 280 ºC e i 300 ºC, a secondo del punto e dalla sua distanza dalla resistenza, che non è uniforme sotto la piastra.
Quindi il consiglio di mettere la teglia sul fondo del forno ha una giustificazione scientifica e anche un riscontro pratico.
L'effetto della resistenza superiore è invece completamente diverso, perché il suo riscaldamento per conduzione dell'aria che la circonda ha poco effetto, dato che l'aria più calda tende ad andare in alto, mentre è l'irraggiamento il suo pregio principale che fa privilegiare un forno elettrico ad uno a gas, che avrebbe invece altri vantaggi.
Pregio che si evidenzia in un particolare aspetto: il riscaldamento della pietra refrattaria.
Su questo si legge di tutto e di più: va messa sul fondo del forno, va messa al centro, va messa in alto sotto la resistenza, va scaldata per un'ora dopo raggiunta la temperatura massima...
Ovviamente molto dipende da cosa ci si vuol ottenere con la refrattaria, ma alcune considerazioni generali si possono sempre fare. Che sia il pane o la pizza, l'oggetto da cuocere si mette sulla parte superiore della pietra, ed è quella che deve essere alla temperatura giusta e che deve diminuire il meno possibile per il contatto con l'oggetto più freddo. La parte superiore della pietra è sostanzialmente scaldato dall'irraggiamento della resistenza superiore, e quindi appoggiare la pietra sul fondo del forno non è la soluzione più efficiente, perché è vero che è a una temperatura un poco più alta, ma si deve scaldare l'intero spessore della pietra prima di raggiungere la superfice superiore. Mettendo invece la pietra molto vicina alla resistenza superiore si ha l'effetto del suo intenso irraggiamento e anche il contatto con l'aria surriscaldata che rimane in parte intrappolata nella piccola distanza. E la resistenza, come ho detto prima, supera gli 800 ºC. Certamente si scalda principalmente un piccolo volume superiore della pietra, che è però quello che importa quando si vuole cuocere una pizza, che mantenga la temperatura per tutto il breve tempo di cottura, e la parte inferiore è comunque riscaldata dal flusso di aria calda che arriva dalla piastra inferiore.
Per la cottura del pane invece il problema è più semplice e la pietra può essere tranquillamente posta nella parte centro-bassa del forno, scaldata dall'aria da sotto e dall'irraggiamento della resistenza superiore da sopra. La temperatura è anche molto meno importante. In questo caso vale la pena considerare l'effetto della ventilazione, perché facendo circolare forzatamente l'aria, che scorre sulla superfice della pietra, si aumenta l'efficienza di trasferimento di calore per conduzione dall'aria calda, molto superiore alla semplice convezione naturale. La pietra in questo modo si scalda più velocemente (anche se il forno raggiunge la sua temperatura più lentamente, ma se ci pensate un poco, è giusto così). In questo modo ottengo una temperatura superficiale massima della pietra di circa 270 ºC.
Durante la cottura del pane avvengono quegli effetti di cui ho in parte parlato nell'articolo su La Cottura del Pane, in particolare il vapore che conviene avere inizialmente presente, tende a condensare sulla superfice del pane, che è più fredda, e in questo modo la mantiene umida e, evaporando successivamente, anche più fredda. Successivamente, quando inizia a scaldarsi anche l'interno del pane, un po' di vapore dall'acqua interna tende ad uscire attraveso la crosta, continuando a tenerla umida. È quindi evidente che in questa fase conviene tenere il forno statico, perché un forte movimento dell'aria, così come scalda meglio la pietra, asciuga anche troppo velocemente la superfice del pane, indurendo precocemente la crosta e rendendo più difficile l'espansione dovuta al riscaldamento delle piccole bolle di gas interno trattenute dalla maglia glutinica.
Lo stesso argomento vale se si usa la cottura in pentola: il riscaldamento del forno con la pentola conviene farlo con la ventilazione, che migliora lo scambio termico. Anche quando si cuoce il pane, con il coperchio chiuso, la ventilazione aiuta a riscaldare la pentola, ma successivamente, quando si toglie il coperchio della pentola per indorare la crosta e indurirla, per quanto detto prima io suggerirei di usare il forno statico, ma ci sono opinioni contrarie, dato che ormai lo sviluppo dovrebbe essere avvenuto. Io non ho usato praticamente mai la pentola e quindi non ho un'opinione fondata sull'esperienza.
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