Trasmissione del calore
La nostra esperienza quotidiana ci insegna che esiste trasmissione di calore da un corpo a un altro. Le particelle del corpo più caldo si agitano di più e trasmettono la loro energia termica alle particelle del corpo più freddo che cominciano così ad aumentare il loro movimento.
N.B. La trasmissione di calore avviene sempre da un corpo più caldo a uno più freddo e termina quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura.
La trasmissione del calore può avvenire in modo diverso a seconda che si propaghi attraverso i solidi, i fluidi (liquidi e aeriformi) o nel vuoto [1]
Conduzione
Nei solidi il calore si trasmette per contatto diretto attraverso un processo che viene chiamato conduzione. Infatti se teniamo in mano o per un’estremità una barra di ferro e appoggiamo sul fuoco l’altra estremità, dopo un po’ di tempo anche l’estremità impugnata comincerà a scottare. Le particelle di ferro direttamente poste sulla fiamma acquistano energia termica, cioè aumentano il loro stato di agitazione e, vibrando, trasmettono questa agitazione alle molecole vicine. Le molecole dei solidi non si muovono liberamente, non si spostano, ma rimangono sempre allineate le une alle altre. Tuttavia, vibrando, esse trasferiscono la loro agitazione alle molecole vicine per contatto diretto, realizzando così la propagazione dell’agitazione e quindi del calore per conduzione.
\begin{equation*} Q = \frac {(kA\Delta T)\Delta t}{L} \end{equation*}
dove $\Delta T$ è la differenza di temperatura tra gli estremi della sbarra e $k$ è il coefficiente di conducibilità del materiale della sbarra e si misura in $J/(s\cdot m\cdot K)$. [2]
Conducibilità termica
Ripetiamo l’esperimento di prima stavolta con una bacchetta di vetro: ci si accorgerà che occorre molto più tempo prima che il calore giunga alla nostra mano. La capacità di un corpo di trasmettere il calore, ossia la sua conducibilità termica, dipende dalla natura del corpo, ossia dalle sostanze di cui è costituito. I metalli sono, in genere, dei buoni conduttori del calore; al contrario, il vetro, il legno, la plastica sono dei cattivi conduttori, non trasmettono bene il calore e spesso vengono utilizzati, proprio per questa proprietà, come isolanti termici. Per esempio la plastica viene impiegata per fare i manici delle pentole, il legno, il sughero, il polistirolo e la lana di vetro per isolare le pareti delle abitazioni e impedire la dispersione del calore. Sono, in genere, cattivi conduttori anche i liquidi e i gas, che utilizzano altre modalità di trasmissione.
Convezione
Liquidi e aeriformi vengono chiamati fluidi perché le loro molecole hanno la possibilità di muoversi, di “fluire” le une sulle altre, mentre nei solidi le molecole sono strettamente ammassate, compatte, pressoché immobili.
Nei fluidi la trasmissione del calore avviene con un meccanismo che prevede il trasporto delle molecole riscaldate dal basso verso l’alto e di quelle fredde dall’alto verso il basso, realizzando così il mescolamento del fluido che si riscalda. Questo movimento circolare delle particelle è detto movimento (oppure moto) convettivo e il meccanismo di propagazione del calore nei fluidi è detto CONVEZIONE. [1]
Irraggiamento
Il Sole, che riscalda il nostro pianeta, invia calore attraverso il vuoto: infatti gran parte dei 150 milioni di chilometri che ci separano dalla nostra stella sono costituiti da spazio interplanetario, che è pressoché vuoto, ossia privo di materia. In questo spazio vuoto il calore non può propagarsi né per conduzione, né per convezione, perché mancano quasi totalmente le particelle responsabili di questi meccanismi di trasmissione del calore, ossia molecole e atomi: possiamo infatti incontrare 2-3 atomi in un anno luce (ossia in una distanza di circa 10.000 miliardi di chilometri). Eppure, come sappiamo, se ci esponiamo al Sole, ci possiamo addirittura scottare.
In realtà, il Sole, come tutti i corpi caldi, emette delle radiazioni, che vengono assorbite dai corpi più freddi, riscaldandoli. Questo meccanismo di trasmissione del calore è chiamato irraggiamento.
Quindi l’irraggiamento consiste nel processo di trasferimento del calore attraverso onde elettromagnetiche. Esso è il fenomeno di emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche, la cui intensità dipende dalla temperatura dei corpi irradianti e che comporta variazioni nella temperatura dei corpi assorbenti.
Qualunque corpo ad una certa temperatura T irradia sotto forma di onde elettromagnetiche. A differenza della conduzione e della convezione qui non si parla esattamente di propagazione del calore, bensì di energia legata all’irraggiamento delle onde elettromagnetiche.
Esiste una legge che ci permette di calcolare quanta energia E per unità di tempo e per unità di superficie viene irradiata da un corpo a una temperatura T. La formula è detta legge di Stefan-Boltzmann e si presenta nella seguente forma.
\begin{equation*} E = e\sigma T^4A\Delta t \end{equation*}
– o è la costante di Stefan-Boltzmann che vale \begin{equation*} \sigma = 5,67\cdot 10^{-8}\frac{\text{J}}{(\text{s}\cdot\text{m}^2\cdot\text{K}^4)}\end{equation*}
– e indica l’emissività e dipende dal corpo considerato. Essa può variare da 0 a 1 a seconda del corpo che si sta considerando. Se e=1 allora il corpo irradia al massimo delle proprie possibilità, determinando la massima emissione possibile di energia per la temperatura a cui si trova.
Dalla formula si deduce che E è direttamente proporzionale alla quarta potenza della temperatura. Quindi basta una piccola variazione di temperatura per produrre una considerevole variazione di energia emessa. L’emissività esprime dunque la capacità di irraggiamento di un corpo e ci dice in che percentuale esso è in grado di emettere energia, rispetto al valore massimo dato dal solo prodotto della costante o per la quarta potenza della temperatura. [3]
Esempio 2
Se mettiamo a riscaldare sul fuoco una pentola d’acqua contenente una manciata di riso, man mano che si riscalda, l’acqua comincia a muoversi dal fondo verso l’alto, sollevando i chicchi di riso. Una volta raggiunta la superficie, diventa più fredda e, con il riso, ridiscende lungo le pareti della pentola. Questo avviene perché gli strati di acqua vicini al fondo della pentola a contatto con il fuoco, riscaldandosi, diventano più leggeri e le molecole, libere di muoversi, salgono verso l’alto. Infatti quando è a contatto con la superficie dell’acqua e con le pareti laterali della pentola l’acqua si raffredda, diventa più pesante e precipita nuovamente verso il fondo.
Esempio 3
La convezione è il meccanismo di trasmissione del calore che viene sfruttato per riscaldare le case con i termosifoni. Infatti, l’impianto di riscaldamento è costituito da una caldaia situata in un locale nel piano più basso dell’edificio, collegata per mezzo di tubi ai termosifoni situati negli appartamenti. L’acqua, riscaldata dalla caldaia, risale lungo i tubi e raggiunge i termosifoni che si riscaldano e trasferiscono il calore all’ambiente circostante. L’acqua che invece ha già attraversato i termosifoni, poiché ha perso calore, diventa più fredda e pesante; pertanto ridiscende lungo i tubi di scarico che la riportano alla caldaia, dove viene nuovamente riscaldata.