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.
Innanzitutto dobbiamo specificare che cos’è il calore. Il calore è una forma di energia che viene trasferita tra sistemi che si trovano a temperature diverse. Una caratteristica del calore è quella di passare sempre da un corpo più caldo a un corpo meno caldo e mai viceversa. Fino a quando continuerà il passaggio di calore da un corpo a temperatura più elevata a uno a temperatura meno elevata?
Per definire correttamente questa energia, è necessario conoscerne l'origine. Tutti i sistemi sono costituiti da particelle, ognuna con una determinata velocità. A causa del loro movimento, queste particelle possiedono energia cinetica, e abbiamo visto che l'energia cinetica media dipende dalla temperatura del sistema. Questa energia è quella che poi registriamo come calore quando viene trasferita da un corpo a un altro. Quindi, ciò che viene percepito come calore è semplicemente energia proveniente da un corpo a temperatura più elevata.
Nella termodinamica, il calore è considerato come il flusso di energia da un sistema a un altro o all'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura tra di essi. Questo è stabilito dal principio zero della termodinamica: il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.
Il calore viene continuamente trasferito tra i sistemi fino a quando le loro energie cinetiche e, quindi, le loro temperature medie si equivalgono. Questo stato è definito equilibrio termico. Poiché si ipotizza che non vi sia trasferimento di energia all'ambiente circostante, la quantità di energia guadagnata dalla particella nel sistema A è uguale alla quantità di energia persa dalla particella nel sistema B.
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La differenza tra un corpo freddo e un corpo caldo è che gli atomi di un corpo caldo si muovono più velocemente di quelli di un corpo freddo. Se il corpo è un solido i suoi atomi non possono muoversi liberamente ma vibrano attorno alle loro posizioni fisse. Il calore è una forma di energia chiamata energia termica. L’aumento della temperatura di un corpo dipende dalla quantità di calore assorbito.
Calore vs Temperatura
Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi! Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo. La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.
Il termometro è lo strumento con il quale si misura la temperatura. Un tipo di termometro diffuso è quello a colonnina. È costituito da tre elementi: bulbo, cannello e scala graduata. Il bulbo è la parte sensibile del termometro, pieno di liquido che può essere mercurio o alcol colorato. Il cannello è un sottile tubo di vetro nel quale il liquido sale e scende in base alla variazione della temperatura. La scala graduata serve a tradurre il livello della colonnina di liquido in una misura numerica della temperatura. L’unità di misura della temperatura è il grado centigrado e il suo simbolo è °C. le temperature sotto lo 0 si scrivono precedute dal simbolo meno (-). L’intervallo 0-100 viene diviso in 100 parti uguali, ciascuna corrispondente ad un grado centigrado. Questa scala è detta centigrada perché l’intervallo tra i due punti fissi risulta diviso in 100 gradi.
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.
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. 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.
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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.
Metodi di Propagazione del Calore
Abbiamo visto che il trasferimento di calore avviene quando l'energia passa da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vediamo ora i diversi metodi di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento.
Propagazione per Conduzione
La conduzione è il trasferimento di energia tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Affinché la conduzione abbia luogo, devono essere soddisfatte alcune condizioni:
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- Le due regioni devono avere temperature diverse.
- Gli oggetti o le loro particelle devono essere in contatto tra loro.
Quando i conduttori sono attraversati da corrente, essi si riscaldano a causa dell'effetto Joule. La velocità di conduzione del calore in diversi materiali può essere confrontata utilizzando una proprietà chiamata conducibilità termica. La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione.
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.
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.
Propagazione per Convezione
La propagazione per convezione avviene nei fluidi, quindi nei liquidi e nei gas, poiché le loro particelle possono muoversi più facilmente e avviene a causa della differenza di densità nel fluido causata dalla differenza di temperatura. La convezione può essere osservata quando l'acqua bolle. I fluidi sono costituiti da particelle che formano strati. Quando l'acqua bolle, queste particelle si muovono a velocità diverse a seconda della loro temperatura. Il fluido più caldo (meno denso) sale in superficie e viene sostituito da acqua più fredda che scende verso il basso.
La convenzione è la trasmissione del calore che avviene attraverso il movimento di materia tra zone a temperature differenti. La trasmissione del calore con la convezione avviene nei liquidi e nei gas.
La convezione è un processo di trasmissione del calore che avviene con trasporto di materia mediante le correnti convettive, ascendenti e discendenti. 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.
L’acqua che si trova a contatto con il fondo della pentola, riscaldandosi si dilata, diventa più leggera e sale. L’acqua che si trova sulla superficie, invece, è più fredda e pesante e quindi scende. Mentre l’aria calda sale, altra aria fredda è attirata verso il calorifero, dal basso. L’aria fredda a sua volta si riscalda e riprende a salire. In questo modo si crea un ciclo di correnti d’aria che trasportano il calore in tutte le zone dell’ambiente è chiamato moto convettivo.
Propagazione per Irraggiamento
L'irraggiamento è il trasferimento di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. In questo metodo di propagazione del calore, non è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro.
L’irraggiamento è la trasmissione del calore sotto forma di raggi termici. I raggi termici o raggi infrarossi sono un particolare tipo di onde elettromagnetiche.
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.
Cambi di Stato
- La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
- La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
- La vaporizzazione è il passaggio dello stato liquido allo stato gassoso.
- La condensazione è il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido.
- Il passaggio diretto dallo stato solido allo stato gassoso, senza passare per lo stato liquido, si chiama sublimazione.