La bufala dell'azoto

Quando sento che qualcuno ha gonfiato gli pneumatici “con l’azoto” mi viene da ridere.

Sembra una leggenda metropolitana e continuamente c’è chi ci cade.

I vantaggi sarebbero enormi, a detta di chi te lo rifila, nessun rischio di esplosione del pneumatico in caso di urto, mantenimento della pressione più a lungo, auto che tiene la strada magnificamente e altre frescacce e amenità degne di un venditore di cocco sulla spiaggia.

I vantaggi che ci promettono sono: maggior stabilità della pressione al variare della temperatura, minor perdita di pressione nel tempo, quindi piú affidabilità e ridotta manutenzione. Inoltre – sostengono – si riducono le possibilità di esplosione perché si riduce la corrosione interna del pneumatico dovuta all'aggressività dell'ossigeno.

Vediamo cosa c'è di vero.

L’azoto: che cos’è?

In chimica, “Azoto” identifica l'elemento dal simbolo chimico N, numero atomico 7, peso atomico 14.01, raggio atomico 0.74 Å.

L'azoto cui ci si riferisce comunemente, invece, è la molecola di gas azoto, di formula chimica N² e da qui in avanti con il termine azoto faremo riferimento sempre all'azoto come gas biatomico.

Proprietà chimico-fisiche

L'azoto è un gas incolore, inodore e insapore; è pochissimo solubile in acqua, con la quale non reagisce. È una molecola biatomica, con un triplo legame fra i due atomi, questo le garantisce una fortissima stabilità, e per questo è detto gas inerte.

Il gonfiaggio degli pneumatici, secondo quanto dichiarano, non avviene con azoto puro, bensì con una “miscela di gas inerti”, è quindi verosimile pensare che siano presenti anche percentuali di altri gas. Cosa ci sia effettivamente dentro, bisognerebbe chiederlo ai distributori delle bombole, anche se, come vedremo, non cambia nulla.

L’aria comune.

Quando gonfiamo le gomme con l'aria di compressore, quindi con quella atmosferica, insuffliamo nel pneumatico una miscela di gas grossomodo cosí composta:

• 79% azoto;
• 20% ossigeno;
• <1% anidride carbonica;
• percentuali trascurabili di altri gas (fra i quali gas nobili, altri gas, particelle e vapori vari in particolare d'acqua).

Essenzialmente la differenza fra “miscela di gas inerti” e aria comune può essere riassunta nella presenza in quest'ultima di ossigeno e vapor d'acqua. Vedremo che differenza fanno.

L’azoto sfugge meno dell’ossigeno?

Una delle prime considerazioni che si sentono fare è che “con l'azoto la pressione resta costante più a lungo perché l'azoto sfugge meno dell'ossigeno attraverso la gomma”.

Questa è una grossa balla, per una serie di motivi. Innanzitutto, la dimensione di una molecola di gas (quale esso sia) è relativamente grande, e non può certo sfuggire attraverso la struttura del reticolo molecolare della gomma. Se sfugge l’aria sfugge anche l’azoto, la differenza di dimensione tra le molecole di ossigeno e quelle di azoto è praticamente nulla e la gomma di cui è fatta la camera d’aria di un pneumatico, tubeless o con camera che sia, è un reticolo fitto e impenetrabile, non è un colabrodo.

Le perdite che ci sono avvengono unicamente per via meccanica, ovvero imperfetta tenuta della valvola, o imprecisa tenuta del cerchione.

Bisogna far presente che insieme al gonfiaggio con azoto, vengono usualmente sostituite le valvole dei pneumatici con altre “speciali” con guarnizione metallica.

Pertanto quando sostituite gli pneumatici fatevi sostituire anche le valvole con altre di origine certa e di marca, vedrete che lo sgonfiaggio del pneumatico praticamente scompare, l’ho verificato di persona con la mia auto, dopo altre tremila km la pressione era ancora quella dell’acquisto e la prima ricarica di pressione è stata effettuata per adeguare la pressione al carico massimo previsto per un viaggio in autostrada, per farla breve oltre 8000 km senza perdite di nessun genere.

Il raggio molecolare dell'azoto è di 1.8 Å (Ångstrom, unità di misura per gli atomi), mentre quella dell'ossigeno è 1.7 Å; l'elio è relativamente piú piccolo (1.4 Å), ciononostante viene utilizzato nel gonfiaggio dei pneumatici delle biciclette da pista, il tutto senza problemi di tenuta nonostante le 12/13 atm. E se da una camera d'aria di bici non sfugge l'elio a 12 atm, per quale misteriosa ragione devono sfuggire azoto e ossigeno a meno di 3?!

L’ossigeno aggredisce il pneumatico? Altra balla, Era una cosa che poteva verificarsi con gli pneumatici non radiali, quelli che per intenderci avevano bisogno di 6/12 mesi di stagionatura al buio e umidità elevata, pneumatici scomparsi grosso modo 50 anni fa con l’avvento degli acceleranti e ultracceleranti (carbammati, Mbt e derivati) delle mescole che hanno eliminato la stagionatura!

L’unica cosa che varia in maniera sensibile la pressione degli pneumatici è la temperatura, dunque bisogna controllare la pressione regolarmente perché se io le ho gonfiate a 30° , a 0° la loro pressione scenderà inesorabilmente e sicuramente.

Come detto, l'azoto sfugge esattamente come l'ossigeno, non esiste alcun motivo per cui l'azoto debba garantire cali di pressione minori rispetto all'aria comune (che tra l’altro, è costituita al 78% da azoto!).

Ma in ogni modo, se anche fosse vero, non controllare le gomme a lungo sarebbe ugualmente un pessimo consiglio. Dalla legge isocora dei gas, otteniamo la seguente relazione:

P1 / T1 = P2 / T2

dove P1 e T1 sono rispettivamente pressione (in atm) e temperatura (in °K) iniziali, e P2 e T2 quelle finali.

Supponiamo di gonfiare le nostre gomme in piena estate, con 35°C (cioè 308°K), a 2.50 atm. Supponendo che non vi sia la benché minima perdita, quando andrò a misurare la pressione, d'inverno, con 0°C (= 273°K) troverò le mie gomme a:

2.5 / 308 = P2 / 273

che risolta mi fornisce una pressione di 2.25 atm.

Quindi dire che “con l'azoto si può evitare di controllare la pressione perché questa resta stabile” è un pessimo consiglio, dato che solo per la variazione di temperatura, il gas (quale esso sia, non importa) comporta una riduzione di 0.25 bar a freddo. Variazione non trascurabile. Pertanto è importante controllare regolarmente la pressione dei pneumatici, e in particolare ogni volta che la temperatura atmosferica ha dei cambiamenti importanti.

L’unica cosa sensata che si dice è che nei reparti corse si usa l’azoto (ora l’aria anidra) e questo perché in un pneumatico che lavora abitualmente oltre i 120/130° una variazione di pressione non prevedibile dovuta all’umidità atmosferica manda a pallino una intera gara. E questo è vero, ma ... su strada normale questo non accade, le normali gomme molto raramente, e con temperature esterne elevate, superano i 60°, e già allora il loro comportamento si ripercuote sullo sterzo e ci dice calmati. I problemi sorgono al superamento degli 80°, diventando critici oltre i 100°, temperatura limite oltre la quale l’aumento della pressione dovuto alla umidità atmosferica diventa preponderante.

Questo comportamento è di grande importanza in gomme destinate alle competizioni, che raggiungono temperature parecchio elevate. È invece trascurabili nelle gomme da strada, la cui temperatura resta a valori molto più bassi.

Ma procediamo con ordine. Partiamo dall'equazione di stato dei gas ideali, che è:

P • V = n • R • T

dove:

• P pressione in atm
• V volume in litri
• N numero moli
• R costante (0.082 litri per atm/grado)
• T temperatura in gradi Kelvin.

I gas reali deviano leggermente da questa equazione, che tuttavia con un'ottima approssimazione soddisfa le nostre esigenze, e presenta il vantaggio di una notevole semplicità di calcolo. Volendo sapere con esattezza il comportamento di gas reali, bisogna ricorrere all'equazione di Van der Waals, che è:

(P + a • n² / V²) • (V - b) = n • R • T

dove P, n, R e T sono gli stessi di prima, e “a” e “b” sono detti coefficienti correttivi di Van der Waals. Questi coefficienti variano da gas a gas. Sennonché quello che scopriamo è che tali valori sono:

per l’azoto: a = 1.35 atm * ( l / mole )² b = 0.0383 l / mole;

per l’ossigeno: a = 1.32 atm * ( l / mole )² b = 0.0322 l / mole;

Come si vede, le differenze dei valori per azoto e ossigeno sono trascurabili, dell’ordine del terzo decimale, e possiamo a buon diritto affermare che le loro variazioni di pressione, all'aumentare della temperatura, sono identiche. Tra tutti e due, poi, formano il 98% dell'aria che respiriamo: avere solo azoto, oppure azoto e ossigeno, non cambia alcunché. Se cambiamenti ci sono, non sono dovuti evidentemente al diverso comportamento di questi due gas, o dalla presenza o meno di uno dei due nella miscela gassosa.

L’azoto ha un comportamento più lineare perché è privo di umidità

Questa è l'unica affermazione sensata che si può fare sull'azoto. Ed è per questo che l'azoto trova applicazione nelle competizioni più estreme, laddove il mezzo decimo di bar può far cambiare l'auto da ingovernabile a perfetta. Ma non perché l'azoto faccia variare di meno la pressione, scaldandosi; ma piuttosto perché senza umidità gli aumenti di pressione dovuti alla temperatura sono più prevedibili.

Nell'uso quotidiano è un fenomeno irrilevante, e questo per un motivo unicamente di temperatura. Non dobbiamo dimenticare, infatti, che le gomme da competizione raggiungono e superano allegramente temperature dell'ordine di 130°C, valori semplicemente irreali nelle gomme delle nostre auto!

L'umidità atmosferica è acqua liquida in sospensione. Gonfiando le gomme con aria comune, ovviamente insufflo dentro anche l'acqua in sospensione. Già questo pone un grosso problema di indeterminazione, poiché l'umidità atmosferica (e quindi la quantità di acqua in sospensione nell'aria) è una quantità che varia rapidamente di ora in ora.

L'umidità relativa dell'aria indica il rapporto fra la pressione parziale del vapor d'acqua nell'aria, e la tensione di vapore che avrebbe l'acqua alla stessa temperatura. Cosí, a 25°C, la solita temperatura di riferimento, la tensione di vapore dell'acqua è di 24 torr, se l'umidità è del 75% vuole dire che la pressione parziale dell'acqua è di 24×0.75=18 torr. Il problema vero nasce dal fatto che, aumentando la temperatura, aumenta la tensione di vapore dell'acqua, e conseguentemente la sua pressione parziale. Le cose sono complicate dal fatto che la tensione di vapore dell'acqua ha un comportamento non lineare. A 60°C ha ancora solo 150 torr di pressione parziale (0.2 atm), a 80°C ha 355 torr (poco meno di 0.5 atm), poi a 100° fa il salto quasi esponenziale ed arriva a 760 torr (1 atm). A 134°C addirittura la tensione di vapore è di circa 1500 torr (2 atm).

Ecco spiegato come mai nelle auto da pista è indispensabile togliere l'umidità, per sapere che pressione avranno le gomme a caldo, mentre nella guida di tutti i giorni cambia poco o nulla: gonfiando a freddo (25°C) le nostre gomme a una pressione iniziale di 2 bar, con un'umidità relativa del 75%, abbiamo la pressione parziale dell'acqua di 18 torr (0.02 atm!). Cioè, di quelle 2 atm, praticamente nulla è dovuto alla parte di umidità che passa allo stato di vapore. Se l'umidità fosse del 40%, la pressione parziale dell'acqua sarebbe 0.01 atm, ovvero non rileveremmo differenza.

A 60°C, le gomme gonfiate con gas anidro (chiamiamolo “azoto", per far contenti quelli che lo vendono) avranno una pressione di 2.23 atm, secondo la già vista regola isocora dei gas (P1/V1=P2/V2). Quelle gonfiate con aria al 75% di umidità relativa, saranno invece a 2.23+0.2×0.75=2.38 atm, e non cambia la risposta di un'auto avere 2.38atm piuttosto che 2.23 a caldo. Se poi l'aria atmosferica avesse avuto il 40% di umidità relativa, a 60°C sarebbero a 2.3 atm, e restano tutte differenze pressoché irrisorie. In queste condizioni avere una miscela di gas inerti (ma soprattutto anidri) oppure dell'aria comune fa ben poca differenza.

Arrivati a 80°C (ma quando le gomme da strada arrivano a queste temperature?) la differenza comincia già a farsi sentire, le gomme con azoto sono a 2.37 atm, quelle con la nostra aria atmosferica al 75% di umidità saranno a 2.37+0.5×0.75=2.74 atm, mentre quelle con l'aria al 40% sono a 2.56 atm. La differenza diventa tangibile.

A 130°C (valori da gomme da pista) le cose cambiano radicalmente. Con aria anidra (azoto, se vi piace) arrivano a 2.70 atm, con aria al 40% di umidità sarebbero a 3.5 atm, ma con l'aria umida al 75% sarebbero arrivate a 4.45!

Come si vede, la percentuale di umidità dell'aria modifica in modo drastico la pressione delle gomme trovarsele a 4.5 piuttosto che 2.7 è una differenza abissale. Pertanto senza conoscere l'esatta umidità dell'aria con la quale ho gonfiato le gomme, non ho modo di sapere la pressione che raggiungeranno durante l'utilizzo. Eliminare il vapor d'acqua, elimina un grossissimo fattore d’imprevedibilità.

Ma allora, l’azoto ha un senso oppure no?

In definitiva si può affermare con cognizione di causa che, sulla nostra beneamata auto con la quale andiamo al lavoro ogni giorno o a zonzo, l'azoto è un inutile spesa non motivato da alcun fondamento tecnico.

Le variazioni di comportamento rispetto all'aria comune e alle temperature raggiunte dalle gomme da strada, sono talmente insignificanti da non compensare le scomodità e le spese cui l'azoto ci costringe, ovvero dovere necessariamente rivolgerci al gommista per controllare la pressione ed eventualmente ripristinarla, piuttosto che poterlo fare presso qualunque benzinaio.

Inoltre la gomma non è possibile portarla sottovuoto (si stallonerebbe con una certa facilità) per eliminare l’aria, quando viene poi gonfiata con l'azoto. Una pressione di 2.5 atmosfere effettive significa 3.5 atmosfere assolute, di queste 3.5 la pressione atmosferica è comunque ineliminabile. Quando vado a sgonfiare completamente il pneumatico per gonfiarlo con azoto, in realtà la gomma contiene ancora 1 atmosfera assoluta di aria comune, comprensiva di umidità,che in nessun modo si elimina.

Rigonfiando con azoto ottengo una miscela formata per circa il 30% da aria comune, e per il 70% da azoto. Pertanto, tutti i problemi creati dall'umidità dell'aria, ce li trasciniamo dietro anche gonfiando le gomme con l'azoto, anche se in misura ridotta.

Il gonfiaggio con azoto si riduce pertanto ad essere una pura manovra commerciale, senza alcun beneficio effettivo sulla guida di tutti i giorni.

L'azoto diventa al contrario indispensabile nelle gomme da competizione, che raggiungono alte temperature, per eliminare il parametro di incertezza rappresentato dall'umidità atmosferica (variabile di giorno in giorno) che renderebbe imprevedibile la pressione raggiunta a caldo.

Un'altra fesseria è quella dell’esplosione del pneumatico in caso di urto causata dall’ossigeno: basta consultare le migliaia di filmati disponibili sulle prove Euroncap per vedere di persona che è una idiozia bella e buona. Se solo se ne fosse verificata una, immaginate il casino a livello mondiale, e per pura carità cristiana tralascio il fatto che la stragrande maggioranza delle auto ha all’anteriore sospensioni Mc Pherson che tutto sono fuorché sensibili a due/tre decimi in più o in meno di pressione. Ma anche se fossero delle sofisticate sospensioni multilink cambierebbe poco o niente, perché di Schumacher in giro, checchè se ne dica, ce n’è uno solo.

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