La trasmissione del calore è un fenomeno fisico fondamentale che gioca un ruolo cruciale in una vasta gamma di processi naturali e applicazioni tecnologiche.
Il principio di conservazione dell'energia ci dice che l'energia non può essere creata né distrutta; può solo essere trasformata in forme diverse. L'energia termica è energia sotto forma di calore, che viene trasferita tra due sistemi a temperatura diversa.
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.
Equilibrio Termico e Direzione del Trasferimento di Calore
L'equilibrio termico è uno stato in cui due sostanze hanno raggiunto la stessa temperatura e quindi non c'è più scambio di calore tra loro.
Ma in che direzione avviene la trasmissione del calore? Se un blocco di ghiaccio a una temperatura di -5°C viene posizionato su un tavolo con una temperatura di 25°C, in quale direzione avverrà il trasferimento di calore?
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A causa della differenza di temperatura di 30°C, si avrà un trasferimento di calore da un corpo all'altro. Nello specifico, il calore fluirà dal tavolo (corpo più caldo) al ghiaccio (corpo più freddo) finché i due corpi non raggiungono l'equilibrio termico. All'equilibrio termico i due corpi hanno la stessa temperatura.
È la temperatura a fornire la direzione del trasferimento di calore! Infatti, il principio zero della termodinamica ci dice che il trasferimento di energia termica è controllato dalla temperatura e il secondo principio ci dice che il calore fluisce spontaneamente dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa e mai il viceversa.
Nell'esempio precedente, la direzione del trasferimento di calore è, quindi, dal tavolo al ghiaccio, poiché il tavolo ha una temperatura più elevata.
Il principio zero della termodinamica afferma che se due corpi A e C sono separatamente in equilibrio termico con un terzo corpo B, allora anche A e C sono in equilibrio tra loro. In sostanza, tutti e tre i corpi hanno la stessa temperatura.
Questa legge, apparentemente ovvia, ci dice qualcosa di importante: esiste una grandezza fisica, la temperatura, che descrive la direzione degli scambi di energia termica tra oggetti.
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L’impossibilità che certi fenomeni avvengano spontaneamente ha portato alla formulazione del secondo principio della termodinamica, il quale (nella forma di Clausius) afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire spontaneamente calore da un corpo più freddo a uno piu’ caldo.
È importante notare che questo non significa che il trasferimento di calore dal corpo più freddo a quello più caldo non possa avvenire (pensa, ad esempio, alle macchine frigorifere)! Il passaggio di calore dal corpo a temperatura più bassa a quello a temperatura più alta può avere luogo, ma non rappresenterebbe l’unico risultato della trasformazione.
Infatti, affinché il passaggio di calore possa avvenire, l’ambiente esterno deve compiere lavoro. La trasformazione avrà quindi due risultati: il passaggio di calore dal corpo più freddo a quello più caldo e il lavoro svolto dall’ambiente.
Metodi di Trasmissione del Calore
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.
Trasmissione del calore per convezione
Il trasferimento di calore per convezione è il trasferimento di calore che avviene attraverso il movimento di un fluido (quindi, gas o liquido). Poiché la differenza di temperatura genera una differenza di densità nel fluido, si generano moti convettivi quando il fluido meno denso sale e viene sostituito dal fluido più freddo.
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È importante notare che, a differenza della trasmissione per conduzione, nella trasmissione per convezione vi è trasporto di materia.
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.
Quando metti una pentola d'acqua sul fuoco per fare la pasta, osserverai che man mano che l'acqua si riscalda, il fluido più caldo (meno denso) sale in superficie e viene sostituito da acqua più fredda che scende verso il basso.
L'aria scaldata dai termosifoni è meno densa e, quindi, sale verso il soffitto. Raffreddandosi diventa più densa e, quindi, scende, per poi essere nuovamente scaldata dal termosifone.
Un altro esempio sono i moti convettivi del mantello terrestre. Poiché la parte più esterna del mantello è più fredda di quella a contatto con il nucleo, la differenza di temperatura genera moti convettivi nel mantello.
Trasmissione del calore per conduzione
La trasmissione del calore per conduzione avviene per contatto diretto attraverso l'interazione tra molecole. Questo tipo di propagazione del calore, a differenza della convezione, avviene senza spostamenti di materia ed è tipico dei solidi.
La conduzione è un processo di trasmissione del calore che avviene senza trasporto di materia. Nei solidi il calore si trasmette per conduzione.
Vediamo come avviene. Quando le molecole nella regione a temperatura più alta, che hanno quindi una maggiore energia cinetica, entrano in collisione con quelle adiacenti, si ha un trasferimento di energia dalle molecole con energia più alta a quelle con energia più bassa. A loro volta, le molecole cui è stata trasferita energia urteranno le molecole adiacenti, trasferendo loro energia.
Quando una padella calda viene rimossa dal fornello e posizionata su un tavolo, l'energia termica della padella calda si trasferisce localmente alla superficie del tavolo attraverso la collisione di particelle tra le due superfici.
Se impugnamo l'estremità di un'asticella di metallo e ne scaldiamo l'altra estremità, noteremo che la parte dell'asticella che teniamo in mano comincerà a scaldarsi fino a scottare. Ripetendo l'esperimento con diversi materiali, noteremo che mentre alcuni materiali (come i metalli) si scaldano rapidamente, altri si scaldano molto più lentamente. Pensa a quanto rapidamente si scalda un cucchiaio di metallo rispetto a uno di legno!
Come mai le padelle sono fatte di metallo ma hanno il manico di plastica? Diversi materiali hanno una diversa capacità di trasmettere il calore.
In generale, i metalli sono buoni conduttori di calore. La grandezza che misura la capacità di un dato materiale di condurre il calore è chiamata conducibilità termica.
La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione e si misura in \( \frac{\mathrm W} { \mathrm m\, \mathrm K}\). In generale, i metalli hanno un'elevata conducibilità termica. Ad esempio, il rame e l'alluminio hanno una conducibilità termica di \( 390 \, \frac{\mathrm W} { \mathrm m\, \mathrm K}\) e \( 290 \, \frac{\mathrm W} { \mathrm m\, \mathrm K}\), rispettivamente.
Materiali come il legno e la plastica hanno una conducibilità termica inferiore e sono per questo detti isolanti termici. Ad esempio, il legno ha una conducibilità termica di circa \( 0{,}1 \, \frac{\mathrm W} { \mathrm m\, \mathrm K}\) !
Le sostanze che trasmettono il calore sono dette conduttori del calore o conduttori termici.
Proviamo a prendere una tazza di tè molto caldo e ad immergervi un cucchiaino d’argento. Inizialmente possiamo tenere il cucchiaino 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.
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.
Trasmissione del calore per irraggiamento
L'irraggiamento è un metodo di trasferimento del calore sotto forma di onde elettromagnetiche. È importante notare che questo metodo di propagazione non necessita di un mezzo per trasferire l'energia da una regione all'altra.
Ogni corpo a temperatura \(T\) emette energia sotto forma di onde elettromagnetiche! La quantità di energia \(\epsilon\) irradiata per unità di tempo e superficie è data dalla legge di Stefan-Boltzmann:
\( \epsilon = e \sigma T^4\)
dove \(\sigma\), chiamata costante di Stefan-Boltzmann, è pari a \(5{,}67 \times 10^{-8} \, \frac{\mathrm J}{ \mathrm m^{2}\, \mathrm s \, \mathrm K^4}\) e \(e\), detta emissività, è una costante adimensionale tipica di ogni materiale e varia da 0 (emissività nulla) a 1 (massima emissività).
Un noto esempio di irraggiamento è il trasferimento di energia tra il Sole e il nostro pianeta. È l'unica modalità che non necessita di un supporto materiale, cioè può avvenire anche attraverso il vuoto; infatti è proprio ciò che accade tutti i giorni quando l'energia del Sole si irradia nello spazio e raggiunge riscaldando i pianeti, tra cui la Terra.
Tutti i corpi a una temperatura superiore allo zero assoluto sono in grado di emettere e assorbire onde elettromagnetiche, grazie a questa capacità è possibile avere un trasferimento di energia tra due corpi.
Esistono diversi tipi di onde elettromagnetiche, ma per quanto riguarda la trasmissione del calore consideriamo solo le radiazioni termiche emesse dai corpi a causa della loro temperatura. Immaginiamo di osservare un corpo a una certa temperatura posto in un ambiente a temperatura più bassa: il corpo cede calore e l'ambiente ne acquista, in accordo ai principi della termodinamica. Quando arriveranno al'equilibrio il corpo avrà emesso tanta energia quanta l'ambiente ne ha assorbita, cioè a=e.
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. 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.
La conduzione è un processo di trasmissione del calore che avviene senza trasporto di materia.
La trasmissione del calore con la convezione avviene nei liquidi e nei gas.
La terza modalità di trasmissione del calore è l'irraggiamento sotto forma di onde elettromagnetiche che, una volta assorbite da un corpo, si trasformano in energia interna e quindi in calore.
Riepilogo dei Metodi di Trasmissione del Calore
La trasmissione del calore per convezione avviene attraverso il movimento di un fluido a causa della differenza di densità generata dalla differenza di temperatura.
La trasmissione del calore per conduzione avviene attraverso la collisione tra molecole senza spostamento di materia.
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