Nell'ambito della fisica, il calore è definito come l'energia che un corpo macroscopico, o più in generale un sistema termodinamico, cede o riceve a causa di una differenza di temperatura con altri corpi o sistemi. Questo scambio avviene tramite processi di conduzione, convezione e irraggiamento.
La fenomenologia del calore è governata dai principi della termodinamica, dove il primo principio regola l'entità degli scambi di calore tra un sistema e l'ambiente esterno in termini energetici, e il secondo ne limita le trasformazioni. La definizione di calore accettata oggi è il risultato di secoli di discussioni ed esperimenti.
Evoluzione del Concetto di Calore
Fino alla metà dell'Ottocento, i concetti moderni di calore ed energia interna si sovrapponevano. Le teorie sulla natura del calore si dividevano schematicamente tra cinetiche e sostanzialistiche. Le prime collegavano il calore al movimento delle particelle che compongono i corpi, mentre le seconde ritenevano che il calore fosse una sostanza specifica.
Nell'accezione comune, il calore è identificato con la sensazione causata dalla vicinanza o dal contatto del corpo umano con un oggetto o un ambiente caldo. La fisica moderna, invece, lo considera una forma di energia che passa da un sistema fisico a un altro, o da una parte all'altra internamente a uno stesso sistema, a causa di differenze di temperatura.
Tale flusso energetico si arresta quando le differenze di temperatura scompaiono, raggiungendo l'equilibrio termico. Il passaggio di calore da un sistema a un altro è un fenomeno irreversibile e avviene spontaneamente dalle temperature più alte a quelle più basse.
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Leggi della Termodinamica e Calore
Le considerazioni sul calore trovano precisazione nelle leggi della termodinamica. La prima legge si basa sull'esistenza di una funzione di stato U, energia interna del sistema, che è l'energia posseduta dal sistema per effetto delle posizioni relative e dei movimenti delle molecole, degli atomi e delle particelle subatomiche costituenti il sistema stesso. La variazione ΔU di questa funzione può dipendere solamente da scambi di energia con l'ambiente.
Questi scambi energetici possono avvenire sotto forma di lavoro (L) oppure di energia a livello molecolare o radiativo in transito attraverso il confine del sistema e non riconducibile a forze macroscopicamente osservabili. All'energia microscopica che transita attraverso il confine del sistema si dà il nome di calore o quantità di calore. Macroscopicamente, la quantità di calore Q associata a una trasformazione di un sistema è definita, tramite la prima legge della termodinamica, dalla relazione: Q=ΔU+L.
Calore Scambiato vs. Calore Posseduto
Mentre è possibile misurare la quantità di calore assorbita o ceduta da un corpo tramite la calorimetria, non ha senso parlare di calore 'posseduto' da un corpo, ma solo di calore scambiato. È altresì possibile misurare la temperatura di un corpo, ma la temperatura non va confusa con il calore.
Fornire calore a un corpo non significa necessariamente provocare un aumento della sua temperatura. L'assorbimento di una certa quantità di calore può tradursi non solo nell'aumento della sua temperatura, ma anche in una produzione di lavoro, in un cambiamento dello stato di aggregazione, in un cambiamento delle sue proprietà o delle sue dimensioni.
Modalità di Trasmissione del Calore
Le modalità di trasmissione del calore sono tre:
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- Conduzione: Trasmissione di calore mediante diffusione di energia a livello molecolare entro un corpo.
- Convezione: Trasmissione del calore in una sostanza fluida, accompagnata da movimenti di materia.
- Irraggiamento: Trasmissione del calore tra due corpi non a contatto, attraverso la radiazione elettromagnetica.
La trasmissione del calore per irraggiamento è affidata alla radiazione elettromagnetica che ogni corpo emette con intensità e caratteristiche variabili in ragione della sua temperatura. Quando la temperatura del corpo radiante è inferiore a 500 °C, la radiazione è costituita prevalentemente dai raggi infrarossi, non visibili dall'occhio umano. Superata tale temperatura, una porzione rilevante di radiazione si estende allo spettro del visibile, e il corpo radiante appare incandescente.
Calore Radiante: Definizione e Caratteristiche
La trasmissione del calore per irraggiamento è un processo mediante il quale l'energia termica viene trasmessa attraverso radiazioni elettromagnetiche, senza la presenza di un mezzo fisico trasmissivo. Questo tipo di trasmissione del calore avviene principalmente attraverso l'emissione di onde elettromagnetiche da una superficie più calda ad una meno calda.
Ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche, caratterizzate da una lunghezza d'onda (λ) e da una frequenza (f). Più alta è la frequenza, o più piccola è la lunghezza d'onda, maggiore è l'energia trasportata. Le radiazioni possono essere assorbite, riflesse o trasmesse attraverso un corpo, a seconda delle proprietà del materiale e dello spessore.
Un corpo nero è un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione incidente, senza rifletterla o trasmetterla. Un corpo nero emette la massima quantità di radiazione possibile ad una data temperatura. La radiazione emessa da un corpo nero dipende dalla sua temperatura (T) in gradi Kelvin (°K) e dalla superficie (A) soggetta all'irraggiamento.
Legge di Stefan-Boltzmann
La legge di Stefan-Boltzmann quantifica l'energia totale irradiata da un corpo nero. La formula è:
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P = εσAT4
Dove:
- P è la potenza totale irradiata
- ε è l'emissività del corpo (ε=1 per il corpo nero)
- σ è la costante di Stefan-Boltzmann (5.670374419 × 10-8 W⋅m-2⋅K-4)
- A è l'area della superficie del corpo
- T è la temperatura assoluta in Kelvin
Legge di Planck
La legge di Planck descrive la radiazione elettromagnetica emessa da un corpo nero in equilibrio termico a una temperatura definita. Un perfetto corpo nero è una superficie che non riflette nulla ed emette pura radiazione termica. Il grafico della potenza rispetto alla lunghezza d'onda per un perfetto corpo nero è chiamato spettro del corpo nero.
All'aumentare della temperatura, la radiazione termica produce una lunghezza d'onda più breve, una luce a energia più elevata. Quando gli oggetti si riscaldano, iniziano a emettere luce visibile o bagliore. A 600 ° C gli oggetti si illuminano di un rosso opaco.
Legge del Quadrato Inverso e Legge del Coseno di Lambert
La legge del quadrato inverso definisce la relazione di energia radiante tra una sorgente IR e il suo oggetto: l'intensità per unità di area varia in proporzione inversa al quadrato di quella distanza. La legge del coseno di Lambert consente il calcolo dell'intensità IR quando la radiazione non viene applicata direttamente al corpo bersaglio ma è impostata su un angolo.
Applicazioni Industriali degli Emettitori Infrarossi
Gli emettitori a infrarossi utilizzati nel riscaldamento industriale hanno generalmente una lunghezza d'onda di emissione di picco utilizzabile nell'intervallo da 0.75 a 10 μm. Gli emettitori di onde lunghe, noti anche come infrarossi lontani (FIR), hanno un intervallo di emissione di picco nell'intervallo 3-10 μm. Questa gamma si riferisce generalmente a elementi ceramici costituiti da una bobina in lega resistente alle alte temperature incorporata in un corpo ceramico altamente emissivo solido o cavo costruito.
Le lunghezze d'onda più brevi dell'emissione di picco sono ottenute usando fonti di emissione con temperature superficiali più elevate. Gli emettitori a cassetta al quarzo sono disponibili in dimensioni standard simili a quelle della ceramica e sono costituiti da una serie di tubi al quarzo traslucidi integrati in un alloggiamento in acciaio alluminizzato lucido.
All'estremità più corta della gamma di onde medie si trova l'emettitore di tungsteno al quarzo che consiste in un tubo di quarzo trasparente lineare sigillato contenente una bobina di tungsteno a stella. La gamma di alogeni al quarzo a onde corte ha una struttura simile a quella dell'emettitore di tungsteno a onde medio-veloci, con l'eccezione che viene impiegata una bobina tungsteno rotonda e i tubi al quarzo sono riempiti con gas alogeno.
La legge di Planck ci dice che quando la temperatura di ogni superficie che emette aumenta, sempre più energia verrà rilasciata come energia a infrarossi. Maggiore è la temperatura dell'oggetto, maggiore sarà la quantità di energia a infrarossi prodotta. A temperature molto elevate, non solo a infrarossi, verrà prodotta anche una luce visibile di lunghezza d'onda più corta.
Quando la temperatura diminuisce, anche i livelli di energia diminuiscono e la lunghezza d'onda del picco di energia si sposta alle lunghezze d'onda più lunghe.
Tabella riassuntiva dei tipi di emettitori infrarossi:
| Tipo di Emettitore | Lunghezza d'Onda di Emissione | Materiali Costitutivi | Caratteristiche |
|---|---|---|---|
| Onde Lunghe (FIR) | 3-10 μm | Ceramica (bobina in lega resistente al calore) | Corpo ceramico altamente emissivo |
| Cassetta al Quarzo | Onde medie | Tubi al quarzo traslucidi, alloggiamento in acciaio alluminizzato | Serie di tubi al quarzo |
| Tungsteno al Quarzo | Onde medie | Tubo di quarzo trasparente, bobina di tungsteno | Lineare, sigillato |
| Alogeni al Quarzo | Onde corte | Tubo di quarzo, bobina di tungsteno, gas alogeno | Struttura simile al tungsteno, ma con gas alogeno |
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