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Sai come le polveri si aggregano grazie alle deboli forze molecolari?
Una polvere è un solido secco composto da numerose particelle molto fini che scorre liberamente se agitato o inclinato. Le polveri sono considerate una sottocategoria speciale dei materiali granulari, sebbene i termini "polvere" e "granulare" siano talvolta utilizzati per distinguere tra le diverse categorie di materiali. Le polveri si riferiscono specificamente a materiali che hanno particelle fini e che quindi hanno maggiori probabilità di formare grumi durante lo scorrimento, mentre i granuli si riferiscono generalmente a materiali che hanno particelle più grossolane e generalmente non formano grumi, tranne quando sono bagnati.
Molti prodotti industriali sono disponibili in polvere, come farina, zucchero, caffè macinato, latte in polvere, toner per fotocopiatrici, polvere da sparo, cosmetici in polvere e alcuni medicinali.
In natura, la polvere, la sabbia fine e la neve, la cenere vulcanica e lo strato più superficiale del suolo sulla superficie lunare sono esempi di polveri. Data la loro importanza nell'industria, nella medicina e nelle scienze della terra, le polveri vengono studiate in dettaglio da ingegneri chimici, ingegneri meccanici, chimici, fisici, geologi e ricercatori di altri campi.
Proprietà meccaniche delle polveri
Le polveri hanno generalmente una densità complessiva molto maggiore, sia nella gamma compatta che in quella sciolta, rispetto ai materiali con particelle grossolane. Una volta cosparsa, la polvere può apparire molto leggera e soffice; dopo essere stata vibrata o compressa, può diventare molto densa e persino perdere la capacità di scorrere. Al contrario, la densità complessiva della sabbia grossolana non cambia in modo significativo. Il comportamento di agglomerazione delle polveri deriva dalle forze molecolari di van der Waals, che fanno sì che le singole particelle aderiscano le une alle altre. Questa forza non è presente solo nella polvere, ma anche nella sabbia e nella ghiaia. Tuttavia, in questi materiali a grana grossa, il peso e l'inerzia delle singole particelle sono molto maggiori delle debolissime forze di van der Waals, quindi le minuscole aderenze tra le particelle non hanno un effetto dominante sul comportamento complessivo del materiale. Solo quando le particelle sono molto piccole e leggere prevalgono le forze di van der Waals, che fanno sì che il materiale si agglomeri come una polvere.
Il confine tra la condizione di flusso e la condizione viscosa può essere determinato mediante semplici esperimenti.
Molti altri comportamenti della polvere sono caratteristiche comuni a tutti i materiali granulari, tra cui classificazione, stratificazione, blocco e sblocco, fragilità, perdita di energia cinetica, taglio da attrito, compattazione ed espansione di Reynolds.
Trasporto di polveri
Le polveri vengono trasportate nell'atmosfera in modo diverso rispetto ai materiali particolati grossolani. In primo luogo, le particelle minuscole hanno poca inerzia da sopportare a causa della resistenza del gas circostante, quindi tendono a muoversi con il flusso anziché procedere in linea retta. Pertanto la polvere può rappresentare un pericolo in caso di inalazione. Le particelle più grandi non riescono a penetrare le difese dell'organismo nelle cavità nasali e dei seni paranasali, ma colpiscono e aderiscono alle mucose. Il corpo poi elimina le particelle espellendo il muco. Le particelle più piccole, invece, possono raggiungere direttamente i polmoni e non possono essere espulse.
Malattie gravi e talvolta mortali, come la silicosi, possono derivare dall'esposizione a determinate polveri senza un'adeguata protezione respiratoria.
Inoltre, se le particelle di polvere sono sufficientemente piccole, possono rimanere sospese nell'atmosfera per periodi di tempo considerevoli. Il movimento casuale delle molecole d'aria e la turbolenza generano una forza verso l'alto che può contrastare l'effetto verso il basso della gravità. Al contrario, le particelle più grossolane sono troppo pesanti e ricadono immediatamente a terra. Una volta agitata, la polvere può formare grandi tempeste di polvere che spazzano continenti e oceani prima di tornare in superficie. Questo spiega perché nell'ambiente naturale non è presente quasi nessuna polvere nociva.
Rischio di esplosione
Molte polveri comunemente prodotte nell'industria sono combustibili, in particolare materiali metallici o organici come la farina. Poiché la polvere ha una superficie così ampia, una volta accesa può bruciare con forza esplosiva. Pertanto, strutture come i mulini per la farina che non dispongono di adeguate misure di protezione dalla polvere potrebbero essere vulnerabili a tali esplosioni.
Alcuni metalli sono particolarmente pericolosi se conservati in polvere, in particolare il titanio.
Rispetto ad altre sostanze, le polveri hanno proprietà uniche. Una pasta o un gel asciutti possono trasformarsi in polvere se completamente essiccati, ma non sono considerati polvere quando sono bagnati perché non scorrono liberamente. Materiali come l'argilla secca, sebbene siano solidi secchi composti da particelle molto fini, non sono considerati polveri a meno che non vengano frantumati, perché le forze di coesione tra le particelle sono troppo forti per fluire liberamente come una polvere. I liquidi scorrono in modo diverso rispetto alle polveri perché non possono resistere ad alcuna sollecitazione di taglio e quindi non possono rimanere stabili ad un angolo inclinato (cioè il loro angolo di riposo è zero). Una polvere, d'altro canto, è un solido perché può sopportare sforzi di taglio e quindi presentare un angolo di riposo.
Il comportamento delle polveri è un importante ambito di ricerca sui materiali particellari e la sua comprensione è fondamentale sia dal punto di vista della tecnologia industriale che da quello dei rischi per la salute. In questo campo scientifico, ciò su cui dovremmo riflettere di più è come utilizzare in modo sicuro le proprietà di queste minuscole particelle a vantaggio della vita e del lavoro umani.
