La trasmissione del calore è il passaggio di energia termica da un corpo a un altro o tra parti dello stesso corpo a causa di una differenza di temperatura. Si distingue in conduzione, convezione e irraggiamento.
| Modo | Significato | Formula / note |
|---|---|---|
| Conduzione | Trasferimento di calore per contatto diretto tra parti del corpo. | ; vale soprattutto nei solidi. |
| Convezione | Trasporto di energia tramite moto di materia nei fluidi. | Naturale se il moto nasce dalle differenze di densità; forzata se il moto è imposto. |
| Irraggiamento | Emissione e assorbimento di onde elettromagnetiche. | ; avviene anche nel vuoto. |
| Corpo nero | Modello ideale che assorbe e emette al massimo. | Ha emissività ; è il riferimento per l’irraggiamento. |
| Resistenza termica | Misura l’opposizione al passaggio di calore. | In analogia con l’elettricità: cresce se aumenta lo spessore e diminuisce se aumenta l’area. |
| Isolamento | Riduzione della dispersione di calore. | Si usano materiali con bassa conducibilità termica . |
| Dissipatore | Dispositivo che allontana il calore da un componente. | Sfrutta grande superficie e spesso anche la convezione dell’aria. |
La trasmissione del calore, cioè il passaggio di energia termica da un corpo a un altro, risponde a una domanda semplice: in che modo un sistema più caldo può raffreddarsi e uno più freddo può scaldarsi?
Si osserva che il calore non si muove sempre nello stesso modo. Dipende dal materiale, dal contatto tra i corpi e dalla presenza di materia in movimento.
I tre modi fondamentali sono conduzione, convezione e irraggiamento. Ciascuno descrive un meccanismo diverso di propagazione del calore.
Nel linguaggio della fisica, si parla di propagazione del calore per indicare il trasferimento spontaneo di energia termica verso regioni a temperatura minore.
[IMMAGINE: Schema con tre vignette affiancate. A sinistra una barra metallica riscaldata a un’estremità per la conduzione. Al centro un fluido con frecce circolari per la convezione. A destra una sorgente che emette onde elettromagnetiche per l’irraggiamento. Etichette: conduzione, convezione, irraggiamento.]
La conduzione termica, cioè il trasferimento di calore per contatto diretto tra parti dello stesso corpo o tra corpi diversi, è tipica dei solidi.
L’idea fisica è simile a una fila di persone che si passano una palla senza spostarsi. L’energia avanza, ma la materia resta quasi ferma.
Questo avviene perché, in un solido, le particelle più calde hanno maggiore energia e la cedono a quelle vicine mediante urti e interazioni.
La legge di Fourier, cioè la relazione che collega il flusso di calore al gradiente di temperatura, si scrive in forma semplificata come segue.
Qui è il calore trasferito, è il tempo, è la conducibilità termica, è l’area, è la differenza di temperatura e è lo spessore attraversato.
Se si ha una parete con , , e , allora .
Si conclude che un materiale con grande lascia passare il calore più facilmente.
Nel caso di un isolante, invece, è piccola e il passaggio di calore si riduce molto.
Si calcola il flusso di calore attraverso una parete di mattoni.
Si assumono , , e .
La parete trasferisce ogni secondo.
La convezione, cioè il trasferimento di calore mediante il movimento di un fluido, riguarda liquidi e gas.
Si immagina una pentola d’acqua: la parte riscaldata diventa meno densa, sale verso l’alto e viene sostituita da fluido più freddo.
Questo movimento genera correnti convettive, cioè moti organizzati del fluido che trasportano energia termica.
La convezione può essere naturale, quando il moto nasce dalle differenze di densità, oppure forzata, quando è imposto da una pompa o da un ventilatore.
Un esempio di convezione naturale è l’aria calda che sale vicino a un termosifone.
Un esempio di convezione forzata è l’aria spinta da una ventola dentro un computer.
Nel caso naturale, il riscaldamento crea zone meno dense. Nel caso forzato, il moto del fluido aumenta lo scambio termico anche se la differenza di temperatura è piccola.
Se la velocità del fluido raddoppia, lo scambio può aumentare sensibilmente, come si osserva in un dissipatore raffreddato da ventola.
Con si ottiene, in condizioni semplificate, un raffreddamento più rapido rispetto a .
L’irraggiamento, cioè il trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche, non richiede materia e avviene anche nel vuoto.
Il Sole riscalda la Terra proprio così. Tra Sole e Terra non c’è un mezzo materiale continuo che trasporti calore per contatto o per moto.
Ogni corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione termica. Maggiore è la temperatura, maggiore è l’energia irradiata.
La relazione principale è la legge di Stefan-Boltzmann, cioè la legge che descrive la potenza irradiata da un corpo in funzione della temperatura assoluta.
Qui è la potenza emessa, è l’emissività, è la costante di Stefan-Boltzmann e è la temperatura assoluta in kelvin.
Se un corpo ha e , la potenza irradiata è molto più piccola che a , perché compare la quarta potenza.
Si confronta l’irraggiamento di un corpo a 300 K e a 600 K.
A temperatura doppia corrisponde una potenza irradiata sedici volte maggiore.
Questo mostra perché superfici molto calde diventano intense sorgenti di radiazione.
Il corpo nero, cioè un modello ideale che assorbe tutta la radiazione incidente e la riemette nel modo più efficace possibile, serve come riferimento teorico.
Un corpo reale assorbe e emette in modo meno perfetto. Per questo si introduce l’emissività, cioè il numero compreso tra 0 e 1 che misura quanto un corpo si avvicina al corpo nero.
Se , il corpo si comporta come un corpo nero ideale. Se , emette solo una frazione della potenza teorica.
Si osserva quindi che la capacità di scambiare energia per irraggiamento dipende molto dalla superficie, dal materiale e dal colore apparente.
Se un corpo nero alla stessa temperatura emetterebbe , un corpo con emette .
La resistenza termica, cioè l’ostacolo che un materiale oppone al passaggio di calore, si usa come analogia con la resistenza elettrica.
Più la resistenza termica è grande, più il flusso di calore è piccolo. L’analogia aiuta a leggere pareti, finestre e materiali isolanti.
Qui cresce se aumenta lo spessore e diminuisce se aumenta la conducibilità o l’area .
Se una parete ha , e , allora .
In pratica, l’isolamento termico cerca di aumentare questa resistenza. Per questo si usano materiali come lana di vetro, polistirene e intercapedini d’aria.
Nel riscaldamento domestico, invece, si cerca spesso di favorire la convezione per distribuire meglio il calore nell’ambiente.
Nei dispositivi elettronici, i dissipatori di calore aumentano la superficie di contatto con l’aria e migliorano lo scambio termico per convezione e irraggiamento.
Nel progetto di una casa, di un termosifone o di un computer, si sceglie il meccanismo di scambio più adatto al risultato desiderato.
Per questo la trasmissione del calore non è un solo fenomeno, ma un insieme di processi che si osservano in contesti diversi.
La trasmissione del calore è il passaggio di energia termica da un corpo a un altro o da una zona più calda a una più fredda.
Le grandezze termiche principali sono la potenza termica , cioè l'energia trasferita nell'unità di tempo, e la temperatura , cioè l'indice dello stato termico.
Qui è il calore trasferito in , mentre è l'intervallo di tempo in . La potenza si misura in , cioè .
Si consideri un corpo che riceve in .
La potenza termica media vale .
Questa è la legge di Fourier, cioè la relazione che descrive la conduzione termica in un solido omogeneo.
La grandezza è la conducibilità termica in . è l'area in , è la differenza di temperatura in o , e è lo spessore in .
La forma mostra che il flusso di calore cresce se aumenta o ; invece diminuisce se aumenta .
Si consideri una parete con , , e .
La potenza termica trasmessa per conduzione vale .
Questa è la legge di Stefan-Boltzmann, cioè la legge dell'irraggiamento termico di un corpo reale.
La costante vale circa . è l'emissività, senza unità, compresa tra 0 e 1. è la temperatura assoluta in .
Si consideri una superficie con e .
La potenza irradiata per unità di superficie è circa .
Il corpo nero è un modello ideale, cioè un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente ed emette nel modo massimo possibile.
Per un corpo nero si ha . In questo caso l'emissione dipende solo da .
Per esempio, a si ottiene .
La convezione è il trasferimento di calore tramite moto di un fluido, cioè un liquido o un gas.
Nel caso naturale, il moto nasce dalle differenze di densità dovute alla temperatura. Nel caso forzato, il moto è imposto da pompe o ventilatori.
La resistenza termica è una grandezza che misura l'opposizione al passaggio di calore, in analogia con la resistenza elettrica.
L'unità di misura è . Se e , allora .
Calcolare il calore trasmesso per conduzione attraverso una parete di mattoni in 10 minuti.
[IMMAGINE: Parete piana tra due ambienti, spessore d, area A, temperatura T1 a sinistra e T2 a destra, freccia del flusso di calore Q verso destra]
Si considerano i dati: , , , . L'incognita è il calore trasferito in .
Si usa la legge di Fourier per la potenza termica: .
Si ottiene quindi = 120 \cdot 600 = 72000 J.
Il calore trasferito è .
Errore comune: usare la differenza di temperatura in gradi Celsius senza verificare il valore numerico corretto.
Stimare il calore assorbito da 0,50 kg di acqua che si riscalda per convezione naturale.
[IMMAGINE: Becher con acqua riscaldata dal basso, frecce di moti convettivi verso l'alto e verso il basso, zona calda in basso e fredda in alto]
Si considerano i dati: , , . L'incognita è il calore assorbito .
La convezione, cioè il trasferimento di energia dovuto al movimento di un fluido, porta il fluido caldo a salire e quello freddo a scendere.
Il calore assorbito è circa .
Errore comune: confondere la convezione con la conduzione, perché nella convezione si muove anche la materia.
Calcolare la potenza emessa per irraggiamento da una superficie calda.
[IMMAGINE: Superficie calda che emette onde elettromagnetiche in tutte le direzioni, con etichetta di temperatura T e coefficiente di emissività ε]
Si considerano i dati: , , , . L'incognita è la potenza emessa.
Si applica la legge di Stefan-Boltzmann, cioè la legge che lega la potenza emessa alla quarta potenza della temperatura assoluta.
La potenza emessa è circa .
Errore comune: usare la temperatura in gradi Celsius invece che in kelvin.
Confrontare il flusso termico in presenza di un isolamento con resistenza termica nota.
[IMMAGINE: Strato isolante tra due superfici, con spessore d, area A, temperature Tcalda e Tfredda, e simbolo della resistenza termica Rth]
Si considerano i dati: , . L'incognita è la potenza termica trasmessa.
La resistenza termica, cioè l'ostacolo al passaggio del calore, si usa come nella legge di Ohm elettrica in forma analoga.
La potenza trasmessa è .
Errore comune: scambiare la resistenza termica con la resistenza elettrica e dimenticare le unità.
Dire che i tre modi di trasmissione del calore sono conduzione, convezione e evaporazione.
I tre modi di trasmissione del calore sono conduzione, convezione e irraggiamento.
L’evaporazione non è un modo di trasmissione del calore in questa classificazione. Si confonde spesso il cambiamento di stato con il trasporto di energia termica.
Definire la conduzione termica come un movimento di materia che trasporta energia.
La conduzione termica è il trasferimento di energia per contatto diretto, senza trasporto macroscopico di materia.
Il fenomeno avviene soprattutto nei solidi, dove le particelle vicine scambiano energia. Si evita l’errore ricordando che la materia non si sposta globalmente.
Scrivere che la convezione avviene anche nei solidi e non dipende dal movimento del fluido.
La convezione avviene nei fluidi, cioè liquidi e gas, ed è dovuta al moto di massa del materiale.
La convezione naturale nasce da differenze di densità, mentre quella forzata richiede ventilatori o pompe. Nei solidi non si parla di convezione.
Pensare che l’irraggiamento richieda un mezzo materiale per propagarsi.
L’irraggiamento è trasmissione di energia tramite onde elettromagnetiche e può avvenire anche nel vuoto.
È per questo che il calore del Sole raggiunge la Terra. L’errore nasce dal confondere irraggiamento e conduzione, che invece richiedono materia.
Usare la legge di Fourier come .
La legge di Fourier si scrive .
Si sbagliano spesso inversi e rapporti tra le grandezze. Conviene controllare che il flusso aumenti con area e differenza di temperatura, e diminuisca con lo spessore.
Dire che una resistenza termica grande favorisce il passaggio di calore.
Una resistenza termica grande ostacola il passaggio di calore.
L’analogia con la resistenza elettrica aiuta a ricordarlo. Se la resistenza aumenta, il flusso termico diminuisce.
I tre modi di trasmissione del calore sono conduzione, convezione e irraggiamento.
La conduzione avviene per contatto diretto tra parti dello stesso corpo o tra corpi diversi.
La convezione avviene nei fluidi, cioè nei liquidi e nei gas, con movimento di materia.
L'irraggiamento avviene tramite onde elettromagnetiche, cioè radiazione che può propagarsi anche nel vuoto.
La conduzione termica è il trasferimento di calore per contatto, senza trasporto complessivo di materia.
Si osserva soprattutto nei solidi, dove l'agitazione delle particelle si trasmette alle particelle vicine.
Per esempio, se , , e , si ottiene .
La convezione è il trasferimento di calore dovuto al movimento di un fluido, cioè di un liquido o di un gas.
È naturale quando il moto nasce dalle differenze di densità, ed è forzata quando il moto è imposto da una pompa o da un ventilatore.
Per esempio, in una pentola d'acqua, il liquido caldo sale e quello più freddo scende, formando correnti convettive.
L'irraggiamento è il trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche, cioè radiazione termica.
Non richiede un mezzo materiale e quindi avviene anche nel vuoto.
Per esempio, se e , la potenza emessa cresce con la quarta potenza della temperatura.
La legge di Fourier è la legge che descrive la conduzione termica in un materiale.
Stabilisce che la potenza termica trasmessa è proporzionale alla conducibilità, all'area e al gradiente di temperatura, e inversamente proporzionale allo spessore.
Per esempio, con , , e , si ottiene .
Il corpo nero è un modello ideale che assorbe tutta la radiazione incidente ed emette la massima radiazione possibile alla sua temperatura.
Serve come riferimento per studiare l'irraggiamento reale dei corpi.
Per esempio, un corpo nero a temperatura più alta emette molta più energia di uno alla temperatura più bassa.
La resistenza termica è una grandezza che misura quanto un materiale ostacola il passaggio del calore.
L'analogia con la resistenza elettrica aiuta a capire che maggiore resistenza significa minore flusso termico.
Per esempio, se , e , allora la resistenza termica vale .
