Trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento
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.
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 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.
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.
Vediamoli insieme.
- Cos'è la capacità termica
- Cos'è il calore specifico
- Trasmissione del calore per conduzione
- Trasmissione del calore per convezione
- Trasmissione del calore per irraggiamento
Cos’è la capacità termica
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.
Cos’è il calore specifico
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.
Trasmissione del 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.
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.
Trasmissione del calore per convezione
La convezione è un processo di trasmissione del calore che avviene con trasporto di materia mediante le correnti convettive, ascendenti e discendenti. 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.
Trasmissione del calore per irraggiamento
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.
Per comprendere meglio questo concetto prendiamo tre contenitori pieni di acqua: un contenitore nero, uno bianco e uno a specchio. Dopo aver verificato che la quantità di acqua al loro interno sia uguale e a temperatura ambiente, sigilliamo i contenitori.
Mettiamo i contenitori al sole e dopo un po’ di tempo proviamo a misurare la temperatura dell’acqua al loro interno.
Noteremo che l’acqua nel contenitore nero sarà più calda e quella nel contenitore a specchio più fredda.
Questo accade perché i corpi scuri assorbono maggiormente le radiazioni termiche che li colpiscono, mentre i corpi con la superficie chiara o lucente ne assorbono una piccola parte e riflettono il resto.
Togliamo i contenitori dal sole e dopo un po’ di tempo misuriamo nuovamente la temperatura dell’acqua al loro interno.
Il contenitore nero emette molta energia, mentre l’acqua del contenitore bianco e di quello a specchio si raffredda in un tempo più lungo perché emette una quantità di energia molto minore.
I corpi scuri, che assorbono molta energia, sono anche in grado di emetterla in grande quantità.
Al contrario i corpi chiari, che assorbono poca energia, ne emettono anche una piccola quantità.
I corpi con la superficie a specchio emettono una quantità di radiazioni inferiore rispetto ai corpi che hanno una superficie scura e si raffreddano più lentamente.