Trasmissione del calore: conduzione e convezione

In questo appunto di fisica descriviamo due meccanismi di trasmissione del calore la conduzione e la convezione. Il calore è una forma di energia che si trasferisce da un corpo a un altro a causa di una differenza di temperatura. Esaminiamo i meccanismi con cui avviene questo passaggio.

Calore, una forma di energia in transito

Immaginiamo di versare del tè bollente in una tazza fredda. Dopo un po’ di tempo il tè e la tazza assumono la stessa temperatura, intermedia fra le due temperature iniziali.
Cosa è accaduto?
È avvenuto uno scambio di calore: il tè, più caldo, ha ceduto calore alla tazza, più fredda, che l'ha assorbito.
Cosa è successo al livello microscopico?
Il tè raffreddandosi, ha perduto energia interna, allo stesso tempo la tazza, riscaldandosi ha acquistato energia.
Il calore, che possiamo indicare con il simbolo Q, è energia che viene trasferita da un corpo a un altro a causa di una differenza di temperatura.
Il passaggio di calore fra due corpi ha una direzione privilegiata: spontaneamente avviene sempre dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa. Il calore è energia in transito.

Calore e lavoro

Il sistema internazionale adotta come unità di calore il Joule la stessa unità utilizzata per l’energia e il lavoro. Prima che si capisse la vera natura del calore, questa grandezza era misurata in calorie.
Definizione della caloria
1 cal è la quantità di calore che si deve fornire a un grammo di acqua distillata per aumentarne la temperatura di 1 °C (grado Celsius o centigrado). Precisamente è la quantità di calore necessaria per portare la temperatura da 14 5 °C a 15,5 °C alla pressione di 1 atm (atmosfera).
James Prescott Joule era un produttore e commerciante di birra, è entrato nella storia della fisica per il suo contributo alla definizione del concetto di calore. Non era un laureato in fisica né un professore universitario ma lavoro con alcuni degli scienziati più importanti del tempo tra cui John Dalton e Lord Kelvin. Compiendo diversi esperimenti scoprì la legge sull’effetto termico prodotto dalla corrente elettrica oggi conosciuto come effetto Joule, a lui si deve la relazione quantitativa tra calore e lavoro. Fu anche uno dei primi a formulare con chiarezza il principio di conservazione dell'energia.
Il dispositivo da lui utilizzato è noto come un mulinello di Joule, Questo dispositivo permette di misurare quanta energia meccanica serve per aumentare la temperatura dell’acqua ossia l’equivalente meccanico della caloria. Joule trovò la seguente equivalenza:
Joule effettuò anche altri esperimenti per studiare in che modo il passaggio di corrente provocasse il riscaldamento di un filo elettrico, da tutte le prove da lui effettuate concluse che l’equivalenza fra lavoro e calore è indipendente dal modo in cui il lavoro viene seguito. Sia il lavoro meccanico sia quello elettrico provocano un riscaldamento della materia. Calore e lavoro sono dunque due modi equivalenti per trasferire energia da un sistema ad un altro e questo giustifica l'uso del Joule come unità di misura del calore.
Per ulteriori approfondimenti su calore e lavoro vedi qua

Stati di aggregazione della materia

Lo stato di aggregazione della materia dipendente dall’attrazione reciproca che esercitano le sue molecole.
Un solido ha forma propria perché gli atomi e le molecole che lo costituiscono sono mantenuti assieme da una grande forza di coesione perciò sono vincolati a posizioni ben precise, pertanto possono sono possibili solo piccolissimi spostamenti come le vibrazioni all’interno del reticolo cristallino.
Un liquido assume la forma del contenitore perché le forze di coesione sono minori rispetto a quelle dei solidi. Questo conferisce alle molecole una maggiore libertà di movimento come lo scivolamento reciproco.
Una sostanza allo [url=https://www.skuola.net/fisica/termodinamica/stato-aeriforme.html]stato aeriforme (o gassoso) occupa tutto il volume a sua disposizione perché la forza di coesione è praticamente nulla e quindi atomi e molecole sono liberi di muoversi.
Gli stati di aggregazione delle sostanze dipendono dal calore e dalla pressione. Se somministriamo calore a un corpo che si trova a pressione costante, facciamo aumentare l'energia cinetica delle sue molecole che riescono a vincere la forza di coesione, facendo modificare lo stato di aggregazione e quindi un solido può diventare liquido, come il ghiaccio che si scioglie (fusione), oppure un liquido può evaporare (evaporazione), come l’acqua che impregna il bucato.

Come avviene la trasmissione del calore nei solidi, la conduzione?

Il calore si trasferisce da un corpo ad un altro o da una parte all’altra dello stesso corpo quando esiste una differenza di temperatura. Il calore si propaga attraverso la materia, sia essa solida, liquida o gassosa, ma si propaga anche attraverso lo spazio vuoto.
Nella materia il calore si trasmette mediante due meccanismi: conduzione e convezione.
Nel vuoto il calore si trasmette per irraggiamento.
La propagazione del calore attraverso i solidi avviene per conduzione.
Se avviciniamo l’estremità di una sbarra di metallo ad una fiamma, dopo un po il calore raggiunge anche la nostra mano che tiene l’altra estremità. Il calore è passato attraverso la sbarra fino alla nostra mano. Si è verificato un trasferimento di energia termica da un punto all'altro del corpo senza un trasporto di materia.
Come ha fatto il calore ad arrivare fino alla nostra mano?
Ogni atomo della barretta metallica a contatto col fuoco, ha aumentato la propria energia cinetica e quindi ha iniziato a vibrare più forte tanto da urtare quelli vicini, generando una specie di reazione a catena. Questa vibrazione si è propagata fino alla nostra mano trasportando l'energia termica.
La legge che descrive la conduzione è la legge di Fourier.
Se ci mettiamo dietro a un vetro su cui arrivano i raggi del sole avvertiamo una bellissima sensazione di caldo perché nel vetro aviene la conduzione del calore dall’esterno all’interno.
La quantità di calore che attraversa il vetro di una finestra si calcola proprio con la legge di Fourier.
Il calore Q è:

• direttamente proporzionale alla superficie del vetro;
• direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra l’interno della stanza e l’ambiente esterno;
• direttamente proporzionale alla conducibilità termica del materiale
• inversamente proporzionale allo spessore del vetro

Per ulteriori approfondimenti sull’irraggiamento vedi qua
Per ulteriori approfondimenti sulla conduzione nei liquidi vedi qua

Trasmissione del calore nei fluidi: la convezione

Nei fluidi il meccanismo principale di trasmissione del calore e la convezione.
Quando c'è una differenza di temperatura tra una zona e un'altra di un volume di fluido, si crea una corrente. Il fluido caldo che ha densità minore rispetto a quello freddo tende a salire verso l’alto per il principio di Archimede. Al suo posto arriva altro fluido freddo che si riscalda per effetto della differenza di temperatura e risale e così il ciclo continua.
La propagazione del calore per convezione è accompagnata da un trasporto di materia. Per questo motivo può avvenire solo nei fluidi ma non nei solidi. I moti convettivi dell'aria condizionano il clima del nostro pianeta e sono sfruttati per riscaldare le nostre case.
Vicino a un radiatore c'è’ sempre aria calda che sale e si allontana. L’aria fredda che si avvicina è a sua volta riscaldata, poi sale in alto e si allontana andando a riscaldare l'ambiente, Nel frattempo arriva altra aria fredda e il ciclo ricomincia.
Il sole scalda più rapidamente la terra che il mare, di giorno l'aria sopra la terra si dilata, diventa meno densa e sale. L’aria più fredda che si trova sopra il mare prende il suo posto. Di notte la terra si raffredda più rapidamente del mare e le parti si invertono: l'aria più calda che sale e sopra il mare ed è rimpiazzata da quella che si trova sopra la terra.
Per ulteriori approfondimenti sulla propagazione del calore vedi qua