Che cos'è il calore
Per studiare la trasmissione del calore dobbiamo prima di tutto capire che cosa sia. In Fisica lo si definisce come la forma di energia che due sistemi con temperature differenti possono scambiarsi fra loro. Se i due corpi al contrario hanno la stessa temperatura ci troviamo in una situazione di equilibrio termico, dove il passaggio di energia si interrompe. Anche il materiale e la forma dei corpi che stiamo considerando hanno un certo ruolo a livello di quanto calore passa.
Fin qui però stiamo parlando di solidi, dove il calore si trasmette soprattutto tramite conduzione. Vedremo di descrivere questo meccanismo oltre a quelli che si verificano quando l’energia termica si trasmette nei liquidi o nei gas.
La trasmissione di calore tramite conduzione
Si tratta come già accennato del fenomeno principale che propaga l’energia termica nei solidi, ma si verifica in percentuale minore anche all’interno di liquidi e gas.
Per spiegarlo possiamo basarci sulla legge di Fourier, che permette di stimare la quantità di calore che si trasmette tramite questo meccanismo.
Immaginiamo di avere una lastra di un materiale qualsiasi che presenta temperature diverse sulle due facce di estensione maggiore e che non avvenga dispersione tramite le altre facce. Indichiamo a questo punto con S la superficie delle due facce opposte (che sarà uguale), con L lo spessore della lastra e con T1 e T2 della prima e della seconda superficie.
A questo punto indichiamo con Q il calore trasmesso e con ΔT la differenza fra T1 e T2, considerando il caso in cui T1 > T2, e con k la costante di conducibilità termica del materiale.
La formula delle legge di Fourier per la trasmissione del calore per conduzione è Q = kS x ΔT/L x Δt.
Con il termine Δt si indica l’intervallo di tempo che si considera. Possiamo vedere dalla formula che il flusso termico, il gradiente di temperatura e la conducibilità termica sono fra di loro direttamente proporzionali.
Al contrario il calore trasmesso e lo spessore della lastra sono in una relazione di proporzionalità inversa. Vale a dire che più spessa sarà la lastra più tempo impiegherà l’energia ad arrivare alla seconda faccia.
Dalla formula ricavata prima possiamo anche ricavare una grandezza definita come calore per unità di tempo, ovvero q = Q/ΔT.
Il fenomeno della convezione
Questo secondo meccanismo di trasmissione del calore è tipico dei fluidi (liquidi e gas) e a differenza della conduzione prevede un trasporto di materia tramite spostamenti chiamati moti convettivi.
A produrli è una variazione di densità che si verifica nei fluidi quando la loro temperatura aumenta.
Per comprendere come si originano i moti convettivi possiamo considerare il caso di una pentola d’acqua posta a scaldare su un fornello acceso.
Il liquido a contatto con il fondo della pentola si scalderà prima del resto del volume d’acqua, e di conseguenza la sua densità si abbasserà.
Il principio di Archimede ci insegna che un materiale con densità inferiore rispetto al fluido in cui è immerso galleggia.
L’acqua calda quindi andrà verso l’alto spingendo verso il basso l’acqua fredda, più densa. Una volta scesa verso il fondo anche questa perderà densità e tenderà a ritornare verso l’alto: si genera allora una corrente convettiva.
Questo meccanismo di trasmissione del calore avviene anche con l’aria quando iniziamo a riscaldare una stanza tramite un termosifone.
L’aria calda in un primo momento tende ad andare verso l’alto, spingendo verso il basso l’aria fredda che poi si riscalderà a sua volta.
Questa corrente convettiva continua finché il fluido non risulta riscaldato in modo uniforme.
La convezione è anche il fenomeno principale con cui si muove il gas all’interno di una stella e i flussi di magma nel mantello, al di sotto della crosta terrestre. I minerali fusi infatti non sono fermi ma seguono un moto convettivo coinvolto nel movimento delle placche terrestri.
La trasmissione del calore tramite irraggiamento
In questo meccanismo la propagazione del calore avviene sotto forma di onde elettromagnetiche.
L’intensità delle onde è direttamente proporzionale alla temperatura del corpo da cui avviene l’emissione, detto corpo irradiante. Per stimare l’energia che si propaga nello spazio a partire da una superficie a una data temperatura si ricorre alla legge di Stefan-Boltzmann.
La formula che usiamo è ε = σeT4 , dove nel dettaglio:
- ε rappresenta l’energia irradiata da un corpo per unità di tempo e superficie.
- σ è una costante fisica chiamata costante di Stefan-Boltzmann e il suo valore è 5,67 x 10-8 J/m2sK4.
- e rappresenta l’emissività del corpo, ovvero l’efficacia con cui questo, in base al materiale da cui è composto, è in grado di assorbire ed emettere energia radiante. Il suo valore varia fra 0 e 1, estremi in cui rispettivamente il corpo non irradia nulla (0) o emette la massima quantità di energia possibile (1).
- T è la temperatura del corpo irradiante, di solito espressa in Kelvin.
Quindi una lieve variazione di temperatura porta a una differenza consistente nell’intensità delle onde elettromagnetiche emesse dal corpo.
Ognuno di noi per esempio in quanto possiede una temperatura corporea di 36,5°C irradia nella zona circostante una radiazione infrarossa.
La sua intensità cambia in base allo strato di grasso sottocutaneo (più è spesso minore sarà l’intensità delle onde emesse).
La conducibilità termica dei corpi
Abbiamo accennato prima al fatto che ogni materiale ha un valore di conducibilità termica (k), che si esprime in watt su metro per grado Kelvin, ovvero W/mK.
In base al valore di k possiamo classificare i materiali in conduttori o isolanti termici. Tra i materiali che conducono meglio il calore possiamo trovare i metalli, in particolare argento, rame e alluminio.
Invece il calcestruzzo, il legno e il vetro sono isolanti termici perché hanno valori molto bassi di k e dunque la trasmissione del calore al loro interno sarà quasi nulla.
Per fare un confronto oggettivo, la conducibilità termica dell’argento è 418 W/mK, mentre quella del legno è di appena 0,1 W/mK.
