Concetti Chiave
- Il calore si propaga attraverso tre meccanismi principali: conduzione, convezione e irraggiamento, ognuno con modalità specifiche di trasferimento dell'energia termica.
- La conduzione termica avviene tramite l'interazione tra molecole di diverse temperature, con metalli che agiscono come buoni conduttori e non metalli come isolanti.
- La convezione implica il movimento di fluidi a temperature variabili, creando un flusso che facilita lo scambio di calore, come nel riscaldamento di una stanza.
- L'irraggiamento trasmette energia termica attraverso onde elettromagnetiche, senza bisogno di un mezzo, come nel caso del calore solare.
- Il calore latente è l'energia necessaria per un cambiamento di fase di una sostanza, mantenendo costante la temperatura durante il processo, e dipende dalla massa e dal tipo di cambiamento.
Quali sono i meccanismi di propagazione del calore?
Il calore si può propagare da un punto ad un altro mediante tre diversi meccanismi: conduzione, convezione e irragiamento.
Conduzione
Per conduzione termica si intende la trasmissione di calore che avviene direttamente attraverso un materiale dalle regioni a più alta temperatura verso quelle con temperatura minore come conseguenza delle interazioni tra le molecole o gli atomi.
Le molecole dove la temperatura è maggiore oscillano più rapidamente, urtano contro le molecole adiacenti, dotate di minor energia e trasferiscono a queste una parte della loro.
I solidi possono essere suddivisi in due categorie: i metalli e i non metalli.
I metalli sono buoni conduttori di calore, sono cioè conduttori termici, poiché presentano molti elettroni liberi di muoversi.
I non metalli sono cattivi conduttori, sono cioè isolanti termici, poiché hanno pochi elettroni liberi di muoversi.
La corrente termica, cioè la quantità di calore trasmessa nell’unità di tempo (ΔQ/Δt) è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra le due facce opposte della lastra di un materiale (ΔT), all’estensione della sezione trasversale(A) e inversamente proporzionale allo spessore (d).
ΔQ/Δt=-kAΔT/d
il meno indica che il calore passa dalla faccia più calda a quella più fredda.
La k è la costante di conducibilità termica, cioè la capacità di un materiale di condurre calore.(unità di misura: J/m s °C)
Convezione
Convezione e movimento dei fluidi
La convezione è lo scambio di calore dovuto al movimento di materia in un fluido che presenta zone con differenti temperature. Se vogliamo riscaldare una stanza con una stufa elettrica, l’aria nelle sue vicinanze si riscalda e man mano diventa meno densa, quindi sale ed è rimpiazzata da quella fredda che è più densa che si trovava in alto. In questo fenomeno differenti temperature producono un movimento del fluido, questo movimento fisico di materia trasporta calore attraverso il sistema.Lo stesso procedimento si può ritrovare nell’atmosfera dela Terra.
Irraggiamento
Irraggiamento e onde elettromagnetiche
Non richiede la presenza di alcun mezzo di trasporto del calore poiché la propagazione di energia avviene mediante onde(esiste anche nel vuoto). Questo è il meccanismo tramite il quale il calore del Sole arriva alla Terra.
L’energia è irradiata sotto forma di onde elettromagnetiche che comprendono sia la luce visibile, sia la radiazione ultravioletta, sia quella infrarossa.
Ex: fuoco da campeggio: il calore arriva per irraggiamento, il materiale che brucia emette radiazioni, alcune visibili, alcune infrarosse, che vengono assorbite dalle molecole della nostre pelle
La potenza irradiata da un corpo, cioè la quantità di calore emessa da un corpo nell’unità di tempo è infatti proporzionale alla temperatura assoluta alla quarta (T4 ). La potenza irradiata è chiamata Legge di Stefan-Boltzmann:
P = σAeT4
La dipendenza di P da T4 indica che l’irraggiamento è significativo per alti valori della temperatura, trascurabile per bassi.
La costante σ è la costante di Boltzmann σ = 5,67 * 10-8 (W/m2 K4 )
Il coefficiente di emissione e è un numero compreso tra 0 e 1 che misura l’efficienza nell’irradiare energia.
Le superfici scure, con e molto vicino a 1, sono più efficienti nell’emettere radiazioni, sono anche buone assorbitrici di radiazioni. (un buon assorbitore è un buon emettitore).
Ex: abiti scuri in inverno
Un emettitore ideale (e=1) viene detto corpo nero.
Un riflettente ideale (e=0) non assorbe alcuna radiazione. Ex:thermos
Se un corpo è in equilibrio termico con l’ambiente circostante la temperatura rimane costante. Se la temperatura del copro (T) e dell’ambiente (Ta) sono diverse, si ha un flusso di energia radiante. in questo caso la potenza termica è:
P= σAe(Ta4 –T4)
(utilizzare sempre la temperatura espressa in kelvin)
Stati di aggregazione della materia
La materia può presentarsi in tre stati di aggregazione, detti anche fasi: solida, liquida e aeriforme.
La fase in cui si trova una sostanza dipende dalla sua energia interna e dalla pressione a cui la sostanza è sottoposta.
Fase solida: le molecole sono tenute insieme da legami chimici intermolecolari, che possono essere rappresentati come delle molle.
L’apporto di calore fa aumentare il moto delle molecole del solido attorno alle loro posizioni di equilibrio. Se la quantità di calore basta a fornire energia sufficiente per rompere i legami intermolecolari il solido subisce un cambiamento di fase e diventa liquido. Si ha quindi la fusione. Se si passa dallo stato liquido a quello solido si ha la solidificazione.
Fase liquida: le molecole in questo caso sono libere di muoversi , per questo motivo il liquido assume la forma del recipiente in cui è contenuto.
L’apporto di calore a un liquido accresce il movimento delle sue molecole. Quando queste hanno assorbito abbastanza energia da distanziarsi molto le une dalle altre, il liquido subisce un cambiamento di fase e passa alla fase aeriforme. Questo processo è detto vaporizzazione e può avvenire:
lentamente interessando solo gli strati superficiali del liquido (evaporazione)
rapidamente interessando l’intera massa del liquido (ebollizione).
Se si passa dallo stato aeriforme a quello liquido si parla di condensazione.
Fase aeriforme: le molecole interagiscono debolmente poiché sopo separate da distanze molto grandi. I gas non hanno ne forma ne volume propri.
Alcuni solidi passano direttamente dalla fase solida a quella gassosa, tramite un processo detto sublimazione. Mentre il processo inverso è detto brinamento.
il calore latente
Calore latente e cambiamenti di fase
Si fornisce calore a una sostanza : la temperatura aumenta
Si fornisce calore che provoca un cambiamento di fase: la temperatura rimane costante durante il cambiamento.
Terminato il cambiamento: la temperatura aumenta
Durante il cambiamento l’energia termica fornita viene utilizzata per compiere il lavoro necessario per rompere i legami intermolecolari e separare le molecole.
Il calore latente è la quantità di calore per unità di massa che viene fornita o sottratta per ottenere un cambiamento di fase.
Q=mλ (J/kg) (kcal/kg)
Il calore latente per il cambiamento di fase solido-liquido è detto calore latente di fusione (λf).
Il calore latente per il cambiamento di fase liquido-vapore è detto calore latente di ebollizione (λe).
(a volte si parla anche di calore latente di sublimazione λs)
La pressione influisce sui cambiamenti di fase.
+ pressione : aumenta T di ebollizione
- pressione: diminuisce T di ebollizione
Domande da interrogazione
- Quali sono i principali meccanismi di propagazione del calore?
- Come avviene la conduzione termica nei materiali?
- In che modo la convezione contribuisce al trasferimento di calore?
- Qual è il ruolo dell'irraggiamento nella propagazione del calore?
- Cosa si intende per calore latente e come influisce sui cambiamenti di fase?
Il calore si propaga attraverso tre meccanismi principali: conduzione, convezione e irraggiamento.
La conduzione termica avviene attraverso l'interazione tra molecole o atomi, dove le molecole a temperatura più alta trasferiscono energia a quelle a temperatura più bassa, con i metalli che fungono da buoni conduttori e i non metalli da isolanti.
La convezione è il trasferimento di calore causato dal movimento di un fluido, dove l'aria calda, essendo meno densa, sale e viene sostituita da aria fredda, creando un ciclo di scambio termico.
L'irraggiamento trasferisce calore attraverso onde elettromagnetiche, senza necessità di un mezzo, come nel caso del calore del Sole che raggiunge la Terra.
Il calore latente è la quantità di calore necessaria per un cambiamento di fase senza variazione di temperatura, come nel passaggio da solido a liquido (fusione) o da liquido a vapore (ebollizione).
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