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Introduzione - Propagazione - Legge fondamentale - Passaggi di stato

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Il calore è energia in transito. Perciò il calore non rimane fermo, passa da un corpo ad un altro; in particolare:

Il calore tende per natura a spostarsi da un corpo caldo ad uno freddo.

Possiamo fare anche il contrario, trasferire il calore da un corpo freddo ad uno caldo, ma questo comporta l'impiego di energia dall'esterno, e per ora non consiederiamo questa situazione.

A questo punto la domanda che ci possiamo porre è: come avviene questo passaggio di calore?
Vediamo in dettaglio i tre modi in cui può avvenire il trasferimento di calore: la conduzione, la convezione, l'irraggiamento.

Conduzione


Il calore può esser trasferito per conduzione ogni qualvolta due corpi sono messi a contatto l'un l'altro.

In generale questo fenomeno si verifica tra due corpi solidi, ma può avvenire anche tra un solido e un fluido.
Se poniamo un oggetto sopra un termosifone acceso, questi trasferisce parte del suo calore all'oggetto.

In modo più preciso possiamo dire che:

Il calore si propaga per conduzione quando c'è trasferimento di energia, senza spostamento di materia.

Questo trasferimento ovviamente dipende dalla differenza di temperatura tra i due corpi, dal tempo in cui rimangono a contatto e dalla superficie di contatto.

Un'importante situazione è quella della conduzione tra due ambienti a temperature differenti, separati da una parete, come ad esempio la parete di un'abitazione, che separa l'interno dell'abitazione dall'ambiente esterno.
In questo caso, per studiare il calore che attraversa la parete, possiamo usare la formula:

Q = ξ · S · Δt · ΔT / d

Dove Q è la quantità di calore trasferito, ξ un coefficiente di proporzionalità chiamato conducibilità termica, Δt il tempo trascorso, ΔT la differenza di temperatura e d lo spessore della parete.
La conducibilità termica dipende dal materiale di cui è composta la parete.
Ecco un breve elenco di coefficienti di conducibilità termica per alcuni materiali comuni; un basso valore di ξ indica un materiale buon isolante termicamente; un alto valore di ξ indica un materiale buon conduttore termicamente.

MATERIALEξ (W m-1 K-1)
ISOLANTI
Aria0,02∼0,03
Lana0,04∼0,05
Carta0,14∼0,23
Legno0,18∼0,23
Mattoni0,25∼0,9
Acqua0,60
Vetro0,93∼1
Ghiaccio2,2∼2,5
Marmo3,5
CONDUTTORI
Piombo35
Acciaio50∼60
Ferro80
Alluminio200∼290
Oro320
Rame390∼400
Argento418∼460
Diamante1600

Da questo possiamo capire perché è utile fabbricare abitazioni con pareti in legno, mattoni o marmo, e al contrario non conviene costruire pareti in ferro o rame: questi ultimi disperderebbero facilmente tutto il calore all'esterno dell'abitazione.
Da osseravare che l'aria è un buon isolante termico. Come mai allora, nella nostra esperienza comune, il calore si puè propagare facilmente attravesto l'aria? Per il fatto che l'aria spesso non rimane ferma, quindi non si verifica il fenomeno della conduzione, ma della convezione di calore.

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Convezione


All'interno di un fluido il calore viene trasferito per convezione, ossia dallo spostamento delle molecole più calde verso le zone più fredde e di quelle fredde verso le zone più calde.

Le molecole calde tendono ad andare verso l'alto, mentre quelle fredde verso il basso. È per questo che i condizionatori d'aria fredda sono posti in alto, mentre i termosifoni e le stufe in basso: per far si che l'aria circoli e non si formino zone con diversa temperatura.

In modo più preciso possiamo dire che:

Il calore si propaga per convezione quando c'è trasferimento di energia dovuto a spostamento di materia.

Questo fenomeno si verifica ad esempio in una pentola con dell'acqua, posta su un fornello acceso: il fornello scalda la pentola che, per conduzione scalda l'acqua sul fondo; ma l'acqua calda tende a salire e quella fredda a scendere, e inoltre l'acqua che scende si riscalda a sua volta: quindi si crea un circolo di acqua che continuamente sale e scende.
Anche il sistema di riscaldamento all'interno delle abitazioni funziona in questo modo: una caldaia posta in basso, sotto l'edificio, scalda l'acqua che salendo arriva ai termosifoni; se la caldaia fosse messa in alto l'acqua calda non scenderebbe e non arriverebbe ai termosifoni.

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Irraggiamento


Come fa il calore del sole ad arrivare a noi? non può essere per conduzione, visto che la Terra e il Sole (per fortuna) non sono attaccati, e non può esser neanche per convezione, poichè tra la Terra e il Sole c'è il vuoto.
In questa situazione il calore si propaga in un altro modo: per irraggiamento.

Il calore si propaga per irraggiamento quando il trasferimento avviene per mezzo di onde elettromagnetiche.

Ogni corpo, per natura, emette radiazioni, ossia onde elettromagnetiche di varia frequenza ed intensità; in genere tali radiazioni sono minime, per cui neanche ce ne accorgiamo. Tuttavia in alcuni casi le radiazioni sono rilevabili, e in particolari situazioni addirittura pericolose.
L'intensità e la frequenza delle radiazioni emesse dipendono, tra le altre cose, anche dalla temperatura: un corpo freddo o a temperatura ambiente, emette in genere radiazioni infrarosse; al contrario un corpo caldo può emettere radiazioni che rientrano nella luce visibile: quindi un corpo, se riscaldato, può illuminare: come ad esempio le lampadine.

I famosi "occhiali a infrarossi" che si vedono spesso nei film d'azione o di fantascienza, sono strumenti capaci di rilevare le radiazioni emesse da un corpo a temperatura ambiente e trasformarle in immagini colorate.

L'energia emessa da un corpo è direttamente proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura assoluta, e si può descrivere mediante la seguente legge:

Legge di Stefan-Boltzmann

Q = ℰ · σ · S · Δt · T 4

essendo ℰ un parametro, chiamato emissività, che dipende dal materiale, σ una costante chiamata costante di Stefan-Boltzmann, S l'estenzione della superficie che emette radiazioni, Δt il tempo trascorso e T la temperatura assoluta.
L'emissività è un numero puro, ha valori compresi tra 0 e 1 e varia a seconda del tipo di materiale e di superficie che emette radiazioni; la costante di Stefan-Boltzmann σ (da non confondere la costante di Boltzmann kB) vale circa 5,67 · 10−8 W m−2 K−4.

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