TRASFERIMENTO DI CALORE: LEGGI, FORME DI TRASMISSIONE, ESEMPI - FISICO - 2026

C'è trasferimento di calore quando l'energia passa da un corpo all'altro a causa della differenza di temperatura tra i due. Il processo di trasferimento del calore cessa non appena le temperature dei corpi a contatto sono uguali o quando il contatto tra di loro viene rimosso.

La quantità di energia trasferita da un corpo a un altro in un dato periodo di tempo è chiamata calore trasferito. Un corpo può dare calore a un altro o può assorbirlo, ma il calore passa sempre dal corpo con la temperatura più alta al corpo con la temperatura più bassa.

Figura 1. In un falò ci sono i tre meccanismi di trasferimento del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. Fonte: Pixabay.

Le unità di misura del calore sono le stesse dell'energia e nel sistema internazionale di misura (SI) è il joule (J). Altre unità di calore utilizzate di frequente sono le calorie e la BTU.

Per quanto riguarda le leggi matematiche che governano il trasferimento di calore, dipendono dal meccanismo coinvolto nello scambio.

Quando il calore viene condotto da un corpo all'altro, la velocità con cui viene scambiato il calore è proporzionale alla differenza di temperatura. Questa è nota come legge di Fourier della conduttività termica, che porta alla legge del raffreddamento di Newton.

Forme / meccanismi di trasmissione del calore

Sono i modi in cui il calore può essere scambiato tra due corpi. Sono riconosciuti tre meccanismi:

-Guida

-Convezione

-Radiazione

In una pentola come quella mostrata nella figura sopra, ci sono questi tre meccanismi di trasferimento del calore:

-Il metallo nella pentola viene riscaldato principalmente per conduzione.

-L'acqua e l'aria vengono riscaldate e salgono per convezione.

-Le persone vicino alla pentola sono riscaldate dalle radiazioni emesse.

Guida

La conduzione del calore avviene principalmente nei solidi e in particolare nei metalli.

Ad esempio, il fornello in cucina trasmette calore al cibo all'interno della pentola attraverso il meccanismo di conduzione attraverso il metallo del fondo e le pareti metalliche del contenitore. Nella conduzione termica non c'è trasporto materiale, solo energia.

Convezione

Il meccanismo di convezione è tipico dei liquidi e dei gas. Questi sono quasi sempre meno densi a temperature più elevate, per questo motivo c'è un trasporto verso l'alto di calore dalle parti di fluido più calde alle regioni più alte con parti di fluido più fredde. Nel meccanismo di convezione c'è il trasporto del materiale.

Radiazione

Da parte sua, il meccanismo di irraggiamento consente lo scambio di calore tra due corpi anche quando non sono in contatto. L'esempio immediato è il Sole, che riscalda la Terra attraverso lo spazio vuoto tra di loro.

Tutti i corpi emettono e assorbono le radiazioni elettromagnetiche. Se si hanno due corpi a temperature diverse, pur essendo nel vuoto, dopo un po 'raggiungeranno la stessa temperatura per scambio termico per radiazione elettromagnetica.

Velocità di trasferimento del calore

Nei sistemi termodinamici di equilibrio, la quantità di calore totale scambiata con l'ambiente è importante, in modo che il sistema passi da uno stato di equilibrio a un altro.

Nel trasferimento di calore, invece, l'interesse si concentra sul fenomeno transitorio, quando i sistemi non hanno ancora raggiunto l'equilibrio termico. È importante notare che la quantità di calore viene scambiata in un certo periodo di tempo, cioè c'è una velocità di trasferimento del calore.

Esempi

- Esempi di conduzione termica

Nella conducibilità termica, l'energia termica viene trasmessa attraverso le collisioni tra gli atomi e le molecole del materiale, sia esso solido, liquido o gassoso.

I solidi sono migliori conduttori di calore rispetto ai gas e ai liquidi. Nei metalli ci sono elettroni liberi che possono muoversi attraverso il metallo.

Poiché gli elettroni liberi hanno una grande mobilità, sono in grado di trasmettere l'energia cinetica attraverso le collisioni in modo più efficiente, motivo per cui i metalli hanno un'elevata conduttività termica.

Da un punto di vista macroscopico, la conducibilità termica viene misurata come la quantità di calore trasferita per unità di tempo, o corrente calorica H:

Figura 2. Conduzione del calore attraverso una barra. Preparato da Fanny Zapata.

La corrente calorica H è proporzionale alla sezione trasversale dell'area A e alla variazione di temperatura per unità di distanza longitudinale.

Questa equazione viene applicata per calcolare la corrente calorica H di una barra come quella di figura 2, che si trova tra due serbatoi di temperature T ₁ e T ₂ rispettivamente, dove T ₁ > T ₂ .

Conduttività termiche dei materiali

Di seguito è riportato un elenco della conducibilità termica di alcuni materiali in watt per metro per kelvin: W / (m. K)

Alluminio -------- 205

Rame --------- 385

Argento ---------- 400

Acciaio ---------– 50

Sughero o fibra di vetro - 0,04

Cemento o vetro ----- 0,8

Legno ----- da 0,05 a 0,015

Aria --------– 0,024

- Esempi di calore per convezione

Nella convezione termica, l'energia viene trasferita a causa del movimento del fluido, che, a diverse temperature, ha densità diverse. Ad esempio, quando l'acqua viene bollita in una pentola, l'acqua vicino al fondo aumenta la sua temperatura, quindi si espande.

Questa espansione fa salire l'acqua calda, mentre quella fredda scende ad occupare lo spazio lasciato dall'acqua calda che sale. Il risultato è un movimento di circolazione che continua fino a quando le temperature di tutti i livelli si equalizzano.

La convezione è ciò che determina il movimento di grandi masse d'aria nell'atmosfera terrestre e determina anche la circolazione delle correnti marine.

- Esempi di radiazione termica

Nei meccanismi di trasmissione del calore per conduzione e per convezione, la presenza di un materiale è necessaria per la trasmissione del calore. Al contrario, nel meccanismo della radiazione, il calore può passare da un corpo all'altro attraverso il vuoto.

Questo è il meccanismo attraverso il quale il Sole, a una temperatura più alta della Terra, trasmette energia al nostro pianeta direttamente attraverso il vuoto dello spazio. La radiazione ci arriva attraverso le onde elettromagnetiche.

Tutti i materiali sono in grado di emettere e assorbire radiazioni elettromagnetiche. Il massimo della frequenza emessa o assorbita dipende dalla temperatura del materiale e questa frequenza aumenta con la temperatura.

La lunghezza d'onda predominante nello spettro di emissione o di assorbimento di un corpo nero segue la legge di Wien, che afferma che la lunghezza d'onda predominante è proporzionale all'inverso della temperatura corporea.

D'altra parte, la potenza (in watt) con cui un corpo emette o assorbe energia termica per radiazione elettromagnetica è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta. Questa è nota come legge di Stefan:

P = εAσT ⁴

Nell'espressione sopra σ è la costante di Stefan e il suo valore è 5,67 x 10-8 W / m ² K ⁴ . A è l'area della superficie del corpo e ε è l'emissività del materiale, una costante adimensionale il cui valore è compreso tra 0 e 1 e dipende dal materiale.

Esercizio risolto

Considera la barra nella Figura 2. Supponiamo che la barra sia lunga 5 cm, con un raggio di 1 cm e fatta di rame.

La barra è posta tra due pareti che ne mantengono la temperatura costante. La prima parete ha una temperatura T1 = 100ºC, mentre l'altra è a T2 = 20ºC. Determinare:

a.- Il valore della corrente termica H

b.- La temperatura della barra di rame a 2 cm, a 3 cm ea 4 cm dalla parete di temperatura T1.

Soluzione a

Poiché la barra di rame è posta tra due pareti le cui pareti mantengono sempre la stessa temperatura, si può dire che è in uno stato stabile. In altre parole, la corrente termica H ha lo stesso valore per ogni istante.

Per calcolare questa corrente applichiamo la formula che mette in relazione la corrente H con la differenza di temperatura e la lunghezza della barra.

L'area della sezione trasversale è:

A = πR ² = 3,14 * (1 × ^10-2 m) ² = 3,14 x ^10-4 m ²

La differenza di temperatura tra le estremità della barra è

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x ^10-2 m

H = 385 W / (m · K) * 3,14 x ^10-4 m ² * (80K / 5 x ^10-2 m) = 193,4 W

Questa corrente è la stessa in qualsiasi punto della barra e in qualsiasi istante, da quando è stato raggiunto lo stato stazionario.

Soluzione b

In questa parte ci viene chiesto di calcolare la temperatura Tp in un punto P situato ad una distanza Xp dalla parete T ₁ .

L'espressione che dà la corrente calorica H al punto P è:

Da questa espressione, Tp può essere calcolato da:

Calcoliamo la temperatura Tp nelle posizioni rispettivamente di 2 cm, 3 cm e 4 cm, sostituendo i valori numerici:

• Tp = 340,6 K = 67,6 ° C; 2 cm dal T1
• Tp = 324,4 K = 51,4 ° C; 3 cm dal T1
• Tp = 308,2 K = 35,2 ° C; 4 cm dal T1

Riferimenti

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Fisica per le scienze e l'ingegneria. Volume 5. Fluidi e termodinamica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione ridotta. Cengage Learning.
3. Lay, J. 2004. Fisica generale per ingegneri. USACH.
4. Mott, R. 2006. Fluid Mechanics. 4 °. Edizione. Pearson Education.
5. Strangeways, I. 2003. Misurazione dell'ambiente naturale. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Conduttività termica. Estratto da: es.wikipedia.com