La trasmissione del calore è un fenomeno fisico fondamentale che gioca un ruolo cruciale in una vasta gamma di processi naturali e applicazioni tecnologiche.
Questo processo descrive il modo in cui il calore si sposta da un corpo o ambiente a un altro, influenzando tutto, dalla temperatura del nostro pianeta alla cottura dei cibi e al funzionamento dei dispositivi elettronici. Comprendere come avviene la trasmissione del calore è essenziale per manipolare e controllare efficacemente i flussi termici in molteplici contesti.
La trasmissione del calore può avvenire attraverso tre meccanismi principali: conduzione, convezione e irraggiamento. Ciascuno di questi meccanismi ha caratteristiche distintive e si verifica in condizioni specifiche, influenzando il modo in cui progettiamo e utilizziamo materiali, strumenti e tecnologie.
Cos'è il Calore?
Il calore è una forma di energia che si trasferisce da un corpo a un altro a causa di una differenza di temperatura. Immaginiamo di versare del tè bollente in una tazza fredda. Il passaggio di calore fra due corpi ha una direzione privilegiata: spontaneamente avviene sempre dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa.
Il sistema internazionale adotta come unità di calore il Joule la stessa unità utilizzata per l’energia e il lavoro.
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Definizione della caloria 1 cal è la quantità di calore che si deve fornire a un grammo di acqua distillata per aumentarne la temperatura di 1 °C (grado Celsius o centigrado).
James Prescott Joule e il Concetto di Calore
James Prescott Joule era un produttore e commerciante di birra, è entrato nella storia della fisica per il suo contributo alla definizione del concetto di calore. Non era un laureato in fisica né un professore universitario ma lavoro con alcuni degli scienziati più importanti del tempo tra cui John Dalton e Lord Kelvin.
Compiendo diversi esperimenti scoprì la legge sull’effetto termico prodotto dalla corrente elettrica oggi conosciuto come effetto Joule, a lui si deve la relazione quantitativa tra calore e lavoro.
Il dispositivo da lui utilizzato è noto come un mulinello di Joule, Questo dispositivo permette di misurare quanta energia meccanica serve per aumentare la temperatura dell’acqua ossia l’equivalente meccanico della caloria.
Joule effettuò anche altri esperimenti per studiare in che modo il passaggio di corrente provocasse il riscaldamento di un filo elettrico, da tutte le prove da lui effettuate concluse che l’equivalenza fra lavoro e calore è indipendente dal modo in cui il lavoro viene seguito. Sia il lavoro meccanico sia quello elettrico provocano un riscaldamento della materia.
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Conduzione del Calore
La conduzione è il trasferimento di calore attraverso un materiale solido o tra materiali solidi a contatto diretto, senza alcun movimento complessivo della materia stessa. Questo meccanismo si basa sulle interazioni microscopiche tra particelle, come atomi o molecole, che trasmettono energia cinetica da zone di maggiore temperatura a zone di minore temperatura.
Materiali come i metalli sono eccellenti conduttori di calore, grazie alla loro struttura atomica che facilita questo trasferimento di energia. La conduzione è un processo di trasmissione del calore che avviene senza trasporto di materia.
Le sostanze che trasmettono il calore sono dette conduttori del calore o conduttori termici.
Nei solidi il calore si trasmette per conduzione.
Se avviciniamo l’estremità di una sbarra di metallo ad una fiamma, dopo un po il calore raggiunge anche la nostra mano che tiene l’altra estremità. Il calore è passato attraverso la sbarra fino alla nostra mano.
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Ogni atomo della barretta metallica a contatto col fuoco, ha aumentato la propria energia cinetica e quindi ha iniziato a vibrare più forte tanto da urtare quelli vicini, generando una specie di reazione a catena.
La legge che descrive la conduzione è la legge di Fourier.
Proviamo a prendere una tazza di tè molto caldo e ad immergervi un cucchiaino d’argento. Inizialmente possiamo tenere il cucchiaio tra le dita, ma ad un certo punto questo scotterà e dovremo lasciarlo cadere nella tazza.
Il cucchiaino d’argento (un metallo ottimo conduttore di calore ) essendo a contatto con il tè ha trasferito l’energia termica fino alle dita della mano. Le particelle del metallo ricevono energia e iniziano a vibrare velocemente trasmettendo parte della loro energia lungo tutto il cucchiaino senza trasportare materia.
Questo tipo di trasmissione del calore è chiamata conduzione.
Il legno, la plastica, la paglia, la lana, la carta sono invece cattivi conduttori del calore e sono chiamati isolanti termici. Un isolante termico non impedisce la trasmissione del calore, ma la rallenta.
Anche l’aria è un buon isolante termico, per questo i cappotti termici costruiti attorno alle nostre abitazioni per isolarle dal caldo estivo o dal freddo invernale possono contenere strati di ventilazione che permettono all’aria di scorrere al loro interno e isolare al meglio l’abitazione evitando sprechi energetici.
Convezione del Calore
La convezione, invece, implica il trasferimento di calore tramite il movimento di fluidi, come liquidi o gas. In questo processo, le porzioni di fluido che si riscaldano diventano meno dense e si muovono verso l’alto, mentre le porzioni più fredde e dense si muovono verso il basso, creando correnti convettive che distribuiscono il calore.
La convezione è un meccanismo dominante nella trasmissione del calore in molti ambienti naturali, come l’atmosfera terrestre e gli oceani, così come in applicazioni pratiche come il riscaldamento degli ambienti e la refrigerazione. Quando c'è una differenza di temperatura tra una zona e un'altra di un volume di fluido, si crea una corrente. Il fluido caldo che ha densità minore rispetto a quello freddo tende a salire verso l’alto per il principio di Archimede.
Al suo posto arriva altro fluido freddo che si riscalda per effetto della differenza di temperatura e risale e così il ciclo continua. La propagazione del calore per convezione è accompagnata da un trasporto di materia. Per questo motivo può avvenire solo nei fluidi ma non nei solidi.
Vicino a un radiatore c'è’ sempre aria calda che sale e si allontana. Il sole scalda più rapidamente la terra che il mare, di giorno l'aria sopra la terra si dilata, diventa meno densa e sale. L’aria più fredda che si trova sopra il mare prende il suo posto.
La trasmissione del calore con la convezione avviene nei liquidi e nei gas.
Un esempio di trasmissione del calore per convenzione sono i radiatori che riscaldano le nostre abitazioni. I radiatori trasferiscono energia termica alle particelle dell’aria. Solitamente nei radiatori scorre acqua calda (prodotta da una caldaia o dall’elettricità e trasportata fino al radiatore all’interno di tubi coibentati) che trasferisce il calore a tutta la stanza trasferendolo all’aria per convezione.
Per vedere cosa intendiamo per trasmissione di calore per convezione basta riempire una pentola di acqua e aggiungere della segatura. Mettiamola sul fuoco e osserviamo cosa accade. Dopo pochi minuti la segatura comincia a risalire dal fondo della pentola verso la superficie e una volta in alto ricade lungo le pareti. Questo significa che l’acqua scaldandosi si mette in movimento.
L’acqua sul fondo della pentola è più calda perché è vicina alla fonte di calore. Si dilata, diventa meno densa e più leggera, e sale verso l’alto. Vicino alla superficie l’acqua è più fredda e densa, e scende verso il basso. Si formano correnti di acqua calda in risalita nel centro del contenitore e di acqua fredda in discesa lungo le pareti che trascinano le particelle di segatura.
Questi movimenti formano una cella convettiva. Questi movimenti dell’acqua, chiamati moti convettivi, provocano un rimescolamento e, se spegniamo la fiamma, in breve tempo tutta l’acqua raggiunge la stessa temperatura . Le correnti in risalita (o ascendenti) e le correnti in discesa (o discendenti) sono dette correnti convettive.
Irraggiamento del Calore
L’irraggiamento è il trasferimento di calore sotto forma di onde elettromagnetiche, come la luce visibile o i raggi infrarossi. Questo processo non richiede un mezzo materiale per avvenire e può quindi verificarsi anche nel vuoto dello spazio.
Tutti i corpi emettono radiazioni termiche in base alla loro temperatura, e questo meccanismo è responsabile, ad esempio, del calore che riceviamo dal sole e del raffreddamento dei corpi attraverso la perdita di calore nello spazio. Il processo di trasmissione dell’energia attraverso il vuoto è chiamato irraggiamento.
L’energia emessa dal Sole arriva sulla Terra sotto forma di radiazioni in grado di attraversare lo spazio vuoto. Le radiazioni che percepiamo come calore sono dette radiazioni termiche.
Capacità Termica e Calore Specifico
La capacità termica di un corpo è la quantità di energia necessaria per aumentare di 1 °C la sua temperatura.
Per comprendere il significato della “capacità termica” di un corpo proviamo a immaginare di addentare una pizza appena sfornata. Possiamo afferrare la crosta e mangiarla senza troppi problemi, mentre la parte interna della fetta farcita è molto calda e per questo rischiamo di scottarci. Questo accade perché la crosta della pizza e la farcitura della pizza assorbono energia in modo diverso. La farcitura immagazzina più energia della crosta.
Sostanze diverse assorbono in modo diverso l’energia. Il fatto che sostanze diverse assorbano l’energia in modo diverso si esprime dicendo che ogni sostanza ha una determinata capacità termica.
Il calore specifico è caratteristico di ogni sostanza ed è la quantità di energia necessaria per aumentare di 1 °C la temperatura di 1 kg di quella sostanza. Questo significa che se scaldiamo 1 kg di acqua e 1 kg di olio alla stessa temperatura aumentando di 1° C la loro temperatura il tempo impiegato per riscaldarsi sarà diverso.
Nello specifico l’acqua impiegherà più tempo dell’olio per riscaldarsi perché ha bisogno di maggiore energia. Affinché la temperatura di 1 kg di acqua aumenti di 1 °C occorre 1 kcal, mentre per l’olio sono sufficienti circa 0,47 kcal.
I valori, 1 kcal e 0,47 kcal, esprimono rispettivamente la capacità termica di 1 kg di acqua e la capacità termica di 1 kg di olio.
La capacità termica di 1 kg di sostanza è chiamata calore specifico e dipende dalla natura del materiale che si considera.
Ricorda che la capacità termica (quindi il calore specifico) dell’acqua è maggiore di quello di quasi tutte le sostanze.
D’estate al mare devi correre il più velocemente possibile per arrivare in acqua dal lettino perché la sabbia scotta molto. Infatti la sabbia ha una capacità termica molto bassa, si scalda e si raffredda in fretta. Questo influisce sul suo calore specifico.
Tabella di Conducibilità Termica di Alcuni Materiali Comuni
Questa tabella mostra la conducibilità termica di alcuni materiali comuni, misurata in Watt per metro-Kelvin (W/mK). Valori più alti indicano una maggiore capacità del materiale di condurre il calore.
| Materiale | Conducibilità Termica (W/mK) |
|---|---|
| Rame | 401 |
| Alluminio | 237 |
| Ferro | 80 |
| Acciaio | 50 |
| Vetro | 1.0 |
| Legno | 0.12 |
| Plastica | 0.1-0.2 |
| Aria | 0.024 |
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