Appunti di Fisica tecnica (Parte 7)

SPIEGAZIONE RESISTENZA DI CONTATTO

Non sempre nel modo reale (in realta quasi mai) le superfici coincidono con delle superfici geometriche, ma nel

punto di accoppiamento tra due superfici ci saranno dei punti di contatto solamente discreti. Questo fatto è

dovuto al fatto che le due superfici hanno delle rugosità che impediscono che tutti i punti vengano a contatto

immediatamente, inoltre più è debole la forza di serraggio tra le due superfici e più questo fenomeno aumenterà.

Nelle cavità che si formano, possono insinuarsi acqua (se mi trovo in mare) o aria, entrambe però hanno una

resistenza termica maggiore dei materiali solidi metallici, per cui il calore farà più fatica a passare, e per tal

motivo parlerò di RESISTENZA DI CONTATTO.

In ambito tecnico e ingegneristico si utilizzano dei metodi per diminuire questo fenomeno, e questi sono ad

esempio il cosiddetto THERMAL FILLER, che consiste nell’inserire delle resine oppure dei fogli di materiale

simil plastico (carbone).

CURIOSITÀ’

L’aria è un ottimo isolante termico, infatti i piumini che usiamo in inverno, al cui interno c’è aria e piume d’oca,

trattengono il calore non per le piume d’oca ma solo per il fatto che contengano aria, le piume d’oca servono

esclusivamente a tenere ferma l’aria.

Anche gli infissi in doppio vetro, sono molto sottili perchè essendo sottile lo strato di aria, essa non si muove e

funge da isolante termico.

L’aria si muove tanto di più quanto più è lo spazio ed inoltre quanto più alto è il salto di temperatura.

L’isolante termico migliore è il gas, ma il gas deve rimanere fermo, per avere conduzione, Il modo per limitare i

movimenti È fare un reticolo che però abbia anch’esso un alta resistenza. Tipicamente nel doppio vetro

l’intercapedine che c’è è quella giusta per far rimanere ferma l’aria. Bisogna trovare un compromesso tra minima

distanza e isolamento termico.

Gli isolanti termici migliori sono gli AEROGEL. Posso immaginarmi il calore come se fosse una pallina che

rotola sulla linea blu, la pallina deve sempre poter rotolare

con continuità, e non essendoci nel nostro caso inerzia,

allora la guida non deve essere orizzantale perchè sennò la

pallina si ferma.

Se la guida è orizzontale vuol dire che non ho flusso

termico . Se la parete è più calda dell’ambiente,

allora la temperatura avrá ad una

fissata quota, un andamento come in

figura, e tenderà asintoticamente alla

temperatura infinito che è la

temperatura dell’ambiente a debita

distanza dalla parete. Non sappiamo

l’andamento analitico della funzione,

ma solo quello qualitativo.

In caso in cui sia l’ambiente, a una T

superiore della parete, l’andamento sarà

come in figura. Questi andamenti delle temperature sono

SBAGLIATISSIMI, perchè nel caso uno,

avrò che le palline confluiscono alla

giunzione e o si accumulano oppure

devono essere “mangiate”, cioè nella

giunzione devo avere un pozzo.

Nel secondo le palline scendono in

entrambi i versi a partire dalla giunzione,

ma per crearsi dovrà esserci nella

giunzione una sorgente!!

Un esempio potrebbe essere un filo che viene percorso da corrente, in questo filo il passaggio della corrente

produrrà delle perdite per effetto Joule, che si tramutano in energia interna e che contribuiscono ad accrescere la

temperatura del mio sistema. ( in realtà la temperatura si potrebbe fare anche diminuire grazie all’effetto Peltier,

che però ha un rendimento di secondo principio molto basso, cioè circa il 5%).

Per disaccoppiare la fisica “termica” da quella “elettrica” si devono fare delle modellizzazioni, e queste

equivalgono a considera queste variazioni di energia interna come se fossero dovute a dei pozzi o a delle

sorgenti termiche presenti nel materiale stesso. Ovviamente questo è un astrazione, in quanto è risaputo che

l’energia non può essere né creata né distrutta.

Se considero la dipendenza dal tempo ma elimino la variabile spazio, allora il modello (x= 0 e t) è fatto da punti

a stessa temperatura ma essa è variabile nel tempo. Lo scambio è tra il nostro sistema e l’ambiente esterno, non

mi interessa quello che succede nel sistema ma mi interessa quello che succede nel tempo.

Se cambio le condizioni esterne a vari Tempi (via via minori), io tolgo sempre più tempo al mio sistema di

adattarsi.

Il mio sistema ha quindi un inerzia termica, si deve lasciare tempo perché il sistema si adatti.

Un comportamento del genere in elettronica si chiama filtro. Un circuito con inerzia cambia l’ampiezza e ci mette

un certo ritardo. Quindi vuol, dire che le perturbazioni che consentono di percorrere il ritardo passano, le

perturbazioni più veloci del ritardo, vengono attenuate.

Passano solo le perturbazioni lente rispetto al tempo caratteristico del sistema.

Più ci avviciniamo alla parete più il moto del fluido viene smorzato, e la velocità del fluido diventa zero nella

parete. Quindi vicino alla parete lo scambio termico avviene a velocità quasi nulle e quindi è più uno scambio di

tipo conduttivo. Possiamo in questo modo imporre la seguente condizione:

Tuttavia dal punto di vista ingegneristico a noi non importano i valori di Nusselt puntuali, bensì ci interessano dei valori

mediati su tutto il profilo, e di conseguenza ci interessa pure un coefficiente di scambio termico medio:

A differenza della convezione esterna, nella convezione interna, il tipo di moto è determinato a priori, in quanto il Re

dipende solo dal fluido, dal diametro, e dalla portata che passa.

Come per la velocità si fa una media tale per la quale ho la portata giusta, anche per la temperatura, dato che essa varia

radialmente, si usa una temperatura che garantisce la correttezza dei bilanci entalpici (entalpia grandezza energetica per

sistemi aperti). Questa temperatura è detta temperatura di miscelamento adiabatico. Essa è definita come:

NB= in questo caso sto

considerando le variazioni

della temperatura al variare

del raggio, T1 e T2 segnate

nel grafico sono le

temperature medie nella

sezione, e quindi

rappresentano come visto

nelle slide precedenti le

cosiddette temperature di

miscelamento adiabatico,

che permettono di far

tornare i conti entalpici.

La convezione naturale può essere causata da un

gradiente di temperatura, ma anche da un gradiente di

concentrazione.

Irraggiamento

Il meccanismo dell’irraggiamento è lo stesso della propagazione delle onde radio, salvo che non sono onde radio,

il range dell’irraggiamento è un piccolo range di lunghezze d’onda, nelle quali lo spettro interagisce bene con la

materia, e il passaggio dello spettro provoca una variazione della cinetica dell’atomo.

Questo range è detto range della radiazione termica.

• La prima caratteristica è la dipendenza dalla lunghezza d’onda

• La seconda caratteristica è che è direzionale

il visibile rientra nel range della radiazione termica. La radiazione termica va in un intervallo che è compreso

tra 0,1 e 100 micrometri, in questo intervallo di lunghezze

d’onda, la radiazione elettromagnetica interagisce molto

bene con la materia, e quindi contribuisce ad influenzare i

gradi cinetici delle molecole (rotazionali, vibrazionali,

traslazionali). In particolare si parla di radiazione termica

se la radiazione elettromagnetica contribuisce ad accrescere

l’energia interna di un corpo in maniera diretta.

Un esempio opposto è il forno a microonde (che lavora sui

1000 micrometri) esso prima aumenta l’energia cinetica

delle molecole polari che si spostano in maniera ordinata, e

quando il moto diventa disordinato allora si ha la

trasformazione in energia interna. Questo quindi è una

trasformazione indiretta della radiazione in energia interna.

Indipendentemente dal materiale di cui

è fatta la cavità è Interessante il fatto

che essendo Eb prop a T^4 allora vuol

dire che se tutte le diverse cavità di

diversa forma e materiale emetteranno

sempre la stessa energia se sono tutte

alla stessa temperatura

L’emissione da corpo nero non è una proprietà della superficie ma è una proprietà degli Stati di equilibrio tra la radiazione che è

entrata e la materia.

Quando si parla di corpo nero, la domanda è quanto lavoro posso fare con i flussi energetici che arrivano,

E ¸b T < T < T

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