Pressione degli pneumatici ed equazione di stato dei gas perfetti

Scritto da: Ataru Moroboshi

Stavo cercando informazioni su quanto spesso si dovrebbe controllare la pressione delle gomme e sono finito su http://www.omniauto.it/  dove ho avuto la consueta conferma che un po' di preparazione scientifica di base, eviterebbe alla popolazione italiana e in particolare ai giornalisti, di affermare stupidaggini e sarebbe doverosa prima di pubblicare qualunque articolo.

L'articolo è davvero superficiale e cerca di mostrare, non con poca confusione, i pregi e difetti di 2 sole possibili scelte: utilizzare aria compressa oppure azoto per gonfiare i propri pneumatici.

Prima di gettarvi nella lettura, ripasso per un secondo l'equazione di stato dei gas perfetti, formulata già nel 1834 da Émile Clapeyron e molto "in voga" nei compiti in classe che sostenevo alle superiori.

PV = nRT

Questa legge mette in relazione la pressione e il volume occupato da un gas con la temperatura a cui esso si trova. E' concepita per descrivere i gas perfetti (o ideali), ma funziona benissimo anche per quelli reali, purché essi si trovino a pressioni non troppo elevate (come all'interno degli pneumatici) e lontani dalle temperature di liquefazione.

Quindi non volendo esser inutilmente pignoli, non dovremo rivolgerci alla più complessa legge di van der Waals (1873), che descrive i gas reali e basterà invece comprendere i termini della equazione PV = nRT :

P indica la pressione del gas espressa in atmosfere

V indica il volume occupato dal gas, espresso in litri

n rappresenta il numero di moli, ovvero la quantità di sostanza presente

R è la costante universale dei gas, che con le unità di misura descritte vale 0.0821 L*atm/mol*K

T è la temperatura espressa in Kelvin (ripassino brevissimo, è sufficiente sottrarre 273,15 al valore in gradi Celsius, per ottenere i K).

Cosa dice questa legge? Come la si può utilizzare nella vita quotidiana, in particolare nel considerare la pressione delle gomme?

Nello pneumatico il volume e la quantità di sostanza a regime non cambiano, salvo in caso di foratura, R è una costante per definizione, quindi variazioni di temperatura si riflettono direttamente su variazioni di pressione. Rimaneggiando l'equazione è come dire che   P/T = nR/V  dove il termine a destra dell'uguale è costante per i motivi appena spiegati. Se nR/V è costate, significa che all'aumento o alla diminuzione della temperatura deve corrispondere un equivalente variazione di pressione.

In altri termini possiamo scrivere:  P1/T1 = P2/T2

Nella mia regione, d'inverno capita sempre di arrivare almeno a 0°C (273.15 K) e d'estate non è difficile arrivare a 40°C (313.15 K) quindi:

Pinvernale / 273.15 K = Pestiva / 313.15 K

Posto di aver gonfiato le gomme a 2.0 atm in inverno, l'estate successiva le ritroveremo a 2.3 atm, pur utilizzando l'azoto! Ben il 15% in più.

Tenendo ben presente tutto ciò, si può partire con la lettura critica del breve articolo.

Effetti di diverse pressioni sull'usura degli pneumatici

L'articolo di Omniauto da cui sono partito è il sottostante, 

ma per comodità di lettura lo riporterò in nero, alternato ai miei commenti in blu.

Favorevoli e contrari in sei punti

1# Perché sì. Le gomme si gonfiano con l’aria compressa (l’azoto è presente in grandi quantità, grosso modo il 79%), ma è possibile utilizzare parimenti l’azoto puro. O con “miscela di gas inerti”, perlopiù azoto. I vantaggi dell’azoto sarebbero giganteschi, stando a chi è favorevole. Zero rischi di esplosione dello pneumatico in caso di urto, mantenimento della pressione più a lungo, ma anche tenuta di strada superiore rispetto all'aria normale.

ATARU: Nessuno di questi vantaggi è motivato o spiegato, cosa che un giornalista dovrebbe fare di professione. Sono solo riportate le voci che girano in merito all'uso dell'azoto ... tremendo! Va precisato che l'azoto puro è un gas inerte ovvero una molecola molto stabile, l'N2 appunto, costituente principale (questo a onor del vero è spiegato nell'articolo, 78% per l'esattezza) dell'aria che respiriamo e che possiamo utilizzare per il gonfiaggio delle gomme. La differenza fra azoto puro e aria compressa risiede tutto in quel 22%, che è ciò che ci consente di vivere, in quanto il 21% è ossigeno (O2), quasi l'1% è Argon, 0.038% è anidride carbonica. Il resto sono quantità risibili di Neon, Elio, Kripton, Monossido di Azoto, Metano, Idrogeno ... 

Nell'aria che respiriamo e dunque anche nell'aria compressa, è presente anche il vapor acqueo, ovvero l'umidità.

Molti fanno leva sulla affermazione che lo pneumatico gonfiato con solo N2 mantiene costante la pressione nel tempo, ben più di quello gonfiato ad aria.

Questo è il punto chiave ed è un clamoroso falso!

Il raggio molecolare dell'azoto è 1,8 angstrom, quello dell'ossigeno è 1,7; nessuno dei due gas principalmente considerati può attraversare la gomma, che microscopicamente si presenta come un fittissimo reticolo impermeabile al passaggio dei gas. Dunque le perdite di pressione sono dovute alla tenuta delle valvole e della zona di giunzione pneumatico-cerchio e non dipendono dal gas scelto. E' importante ribadirlo!

Inoltre, se si è compresa l'equazione di stato dei gas perfetti, risulta chiaro come le variazioni di pressione siano primariamente legate alle variazioni di temperatura ambientale, per qualunque gas, sia esso azoto puro, sia aria compressa. Sarebbe dunque follia non controllare periodicamente la pressione delle gomme solo perché gonfiate con azoto. E' conseguentemente evidente inoltre, come diventi importante verificare la pressione anche quando, per spostamenti geografici oppure per cambiamenti rapidi del clima, varino repentinamente le temperature esterne.

2# Come gonfiare. Per immettere azoto nella gomma, il sistema è simile a quello per gonfiare lo pneumatico con aria compressa. Il gommista (di solito al prezzo di 20-30 euro in totale per 5 gomme) solleva l’auto con un macchinario, rimuove il dispositivo interno alle valvole e sgonfiare i quattro pneumatici. Poi ricolloca il meccanismo interno della valvola e inietta azoto; il livello di pressione da raggiungere è quello indicato nel libretto sull’uso e manutenzione del veicolo.

ATARU: il gonfiaggio è identico e il prezzo richiesto è purtroppo reale, ovvero spropositato. L'azoto gassoso è ampliamente biodisponibile e facile da produrre industrialmente; i costi non sono in alcun modo giustificati.

3# E dopo… Il gommista appone alla valvola della ruota cappuccetti colorati: segnalano che quello pneumatico è stato gonfiato con l’azoto. Al successivo gonfiaggio, se le gomme sono solo appena “scariche”, serve altro azoto. La resistenza al rotolamento aumenta: il gonfiaggio con azoto, dice il partito del sì, riduce il deterioramento della gomma dei pneumatici.

ATARU: il deterioramento della gomma dipende dai materiali di cui è composta e dagli attriti che subisce durante il proprio utilizzo. Ovvio che questi dipendano anche dalla pressione, che può esser mantenuta identica sia gonfiando lo pneumatico con aria compressa, sia con azoto gassoso, quindi l'affermazione è FALSA.

4# La differenza. D’estate, se la gomma è stata gonfiata con aria normale, le temperature elevate sono il principale nemico: riscaldandosi eccessivamente, gli pneumatici si deteriorano e le loro prestazioni calano. Così non è per l’azoto. In più, l’azoto rispetto alla normale aria compressa rallenta il riscaldamento delle gomme. L’azoto, privo di umidità e anidride carbonica, riduce la formazione di ruggine nelle cinture metalliche dello pneumatico. Con l’aria normale, il calore deteriora la gomma, espande il gas e talvolta fa esplodere lo pneumatico; con l’azoto, questo non accade. E la macchina, più leggera grazie all’azoto, si guida molto meglio.

ATARU: perchè più leggera? Qualche microgrammo in meno che effetto ha su una vettura di 1100-1500 kg? Ve lo dico io, assolutamente TRASCURABILE!

L'unica cosa vera è che l'aria compressa contiene anche tracce di "umidità". Vi è mai capitato di cambiare una gomma perché vi si era arrugginita la cintura metallica dello pneumatico? Ecco, appunto!

5# Cautela. In realtà, il partito del no mette in guardia. Con l’azoto, il rischio esplosione gomme è inferiore, ma esiste. E la pressione degli pneumatici va controllata periodicamente, anche in base alla percorrenza. La differenza di peso tra pneumatici gonfiati con azoto o con ossigeno è trascurabile e non incide in nessun modo sulla guida del veicolo.

ATARU: con ossigeno? Chi gonfia le gomme con ossigeno?

Anche qui, affermazioni elencate senza spiegazioni.

6# In definitiva. Noi ci sentiamo di condividere questa tesi: l’azoto può essere ok d’estate e per vetture ad alte prestazioni. Ognuno è libero di spendere denaro per migliorare la prestazione, seppure di poco, della vettura. Ma un conto è investire soldi e tempo per l’azoto se si ha una macchina con una certa cilindrata; un altro è utilizzarlo per le utilitarie con limitate prestazioni. Anche d’estate, difficilmente si sollecita il pneumatico tanto da surriscaldarlo. L'azoto può essere invece indispensabile nelle gomme da competizione, che raggiungono alte temperature.

ATARU: ahhh, una bella via di mezzo che dà ragione a tutti ed evita di prendere una posizione netta. Per come è scritto il punto 6, molti penseranno: "io non ho un'auto sportiva, ma nelle occasioni in cui la "tiro" voglio esser in sicurezza, perciò meglio l'azoto".

Meglio sarebbe condannare esplicitamente questa pratica e i costi (ingiustificati) richiesti se si volesse fare informazione e consigliare seriamente gli automobilisti.

Inverno: occhio

D’inverno, le strade sono già fredde, bagnate, talvolta con ghiaccio. L’azoto nelle gomme di un’utilitaria in città è inutile, e magari anche dannoso: potrebbe verificarsi qualche problema tecnico, con la gomma freddissima che non ha molta tenuta. Tanto più se lo pneumatico è vecchio o malandato. D’estate, con una supercar e gomme ovviamente ad alte prestazioni, le cose cambiano; in primis, con l’azoto, potrebbe esserci uno sgonfiamento più lento in caso di foratura.

ATARU: siamo alla superstizione!

Perché dovrebbe essere dannoso con le basse temperature? E' semplicemente ininfluente.

Concludo affermando che per il problema specifico, piuttosto che spendere denaro nell'utilizzo dell'azoto, sarebbe più intelligente investirlo nella bontà della mescola degli pneumatici.

Mentre come concetto generale, raccomando a tutti di fidarsi poco di qualunque articolo che non citi fonti e soprattutto dati. 

Buona guida.