La trasmissione del calore

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. 

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.

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.

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.

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.