TRASMISSIONE DEL CALORE

di Carruba Carlo IIA C.A.T. A.S. 2013/2014
I.I.S. MUSSOMELI E CAMPOFRANCO

Il calore passa da un corpo all’altro quando esiste una differenza di temperatura. Il flusso di energia termica avviene sempre dal corpo a temperatura più elevata, al corpo a temperatura più bassa.

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Questa trasmissione di calore si presenta in tre forme: conduzione, convezione e radiazione o irraggiamento

Conduzione
E’ la trasmissione di calore da un corpo ad un altro senza spostamento delle sue molecole. Un caso tipico è il riscaldamento di un’asta metallica mediante una fiamma applicata alle sue estremità. L’energia termica sii trasmette per contatto da molecola a molecola dall’estremità a più alta temperatura verso quella fredda.
Convezione
E’ la trasmissione di calore che avviene nei fluidi (liquidi e gas)con spostamento delle molecole. Se un corpo caldo (ad esempio un radiatore) riscalda l’aria, questa diventa sempre più leggera e sale verso l’alto; tale movimento richiama altra aria verso il corpo caldo e così via. La spinta naturale di salita dell’aria, origina un movimento lento della stessa (convezione), riscaldando il locale in modo uniforme e confortevole.
Irraggiamento
La trasmissione di calore senza contatto diretto dei corpi, viene chiamata radiazione o irraggiamento. In questo caso si trasmette il calore mediante onde o radiazioni. Un esempio è il calore che percepiamo da una lampadina accesa quando avviciniamo la mano.

CONDUZIONE TERMICA

Per conduzione termica si intende la trasmissione di calore che avviene in un mezzo solido, liquido o aeriforme all’interno di un corpo solo dalle zone a temperatura maggiore verso quelle con temperatura minore.

Il principio alla base della conduzione è diverso a seconda della struttura fisica del corpo:

· nei gas la conduzione termica è dovuta alla diffusione atomica e molecolare

· nei liquidi e nei solidi la conduzione termica è dovuta a onde elastiche;

· nei materiali metallici il fenomeno è principalmente dovuto alla diffusione degli elettroni liberi.

Spiegazione microscopica

L’energia termica si manifesta a livello microscopico sotto forma di oscillazione delle molecole del materiale; tale oscillazione aumenta all’aumentare dell’energia termica accumulata nel corpo (cioè aumenta con la temperatura).Ad esempio mettendo sopra una fiamma l’estremità di una sbarra metallica, dopo qualche tempo anche l’altra estremità si scalda e può scottare; cioè è dovuto al fatto che il calore somministrato dalla sorgente innalza il contenuto energetico delle molecole della parte a contatto, le quali oscillano con maggior velocità; durante la loro oscillazione, le molecole vanno ad urtare le molecole vicine, scambiandosi reciprocamente quantità di moto; tale scambio di quantità di moto (che avviene a livello microscopico) si traduce a livello macroscopico in scambio di energia termica per conduzione; in conseguenza di tale scambio di energia termica dopo un certo tempo anche l’estremità opposta della sbarretta a contatto con la fiamma si riscalda, per cui il fenomeno della conduzione termica come conseguenza rende la temperatura della sbarretta più omogenea possibile. In altre parole, tanto maggiore è la conducibilità termica del materiale tanto più facilmente un corpo sottoposto ad una variazione locale di temperatura distribuisce tale variazione di temperatura lungo tutto il corpo. Quindi ripetendo l’esperienza con un tubo di vetro, si osserva invece che il punto a contatto con la fiamma può diventare rosso a causa dell’elevata temperatura, mentre a qualche centimetro di distanza si avverte solo un debole aumento di temperatura; cioè è dovuto al fatto che il vetro conduce peggio il calore rispetto al metallo. Le oscillazioni di ciascuna molecola causate dall’energia termica immagazzinata avvengono intorno alla posizione inizialmente occupata dalla molecola, per cui in un determinato intervallo di tempo la posizione media delle molecole è sempre la stessa, per cui nella conduzione termica non si ha trasporto di materia, ma solo trasmissione di urti molecolari.

Buoni conduttori e cattivi conduttori

La conduzione che avviene fra due corpi dipende dalle loro proprietà a livello microscopico; vi  sono, infatti,  buoni conduttori o cattivi conduttori di calore.
Alla prima categoria appartengono tutti i metalli, mentre alla seconda, per esempio, la lana, il legno e tutti i liquidi in generale.
La diversa conduzione dei corpi  si può facilmente sperimentare immergendo in un contenitore con acqua calda due cucchiai (uno di legno ed uno di metallo).
Dopo un certo intervallo di tempo si potrà osservare che il cucchiaio di metallo scotta mentre quello di legno no.
Questa differenza può essere spiegata dal punto di vista microscopico, poiché il calore fornito fa aumentare l’energia cinetica delle molecole di metallo che sono immediatamente a contatto con la sorgente di calore.
L’aumentare dell’energia cinetica di queste molecole comporta un aumento della vibrazione degli atomi rispetto alla posizione di equilibrio. Questa vibrazione si propaga velocemente nelle molecole vicine consentendo così la propagazione del calore per conduzione.
In un cattivo conduttore questa propagazione, dovuta alla vibrazione molecolare, avviene più lentamente.
La rapidità con cui il calore passa attraverso un determinato materiale si chiama corrente termica.

Campo di temperatura e regime

Lo studio delle caratteristiche della conduzione richiede in primo luogo la conoscenza delle temperature all’interno del corpo.

Quando le temperature sono indipendenti dal tempo si dice che la conduzione avviene in regime stazionario, mentre se le temperature sono funzioni anche del tempo il regime si dice transitorio.

Conduzione nei solidi

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Consideriamo un solido a forma di parallelepipedo con le due superfici maggiori S distanti L. Se si riscalda una delle due superfici “S” si viene a formare una differenza di temperatura, diciamo  , tra di esse. Supponendo le superfici minori ben isolate, il calore si diffonde dentro il corpo solamente verso la superficie opposta a temperatura minore. Sperimentalmente si vede che il calore trasferito per unità di tempo   è direttamente proporzionale alla superficie e alla differenza di temperatura ed inversamente proporzionale allo spessore:

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dove la costante di proporzionalità λ è la conducibilità termica.

FONTI
· Matematica e…………
Esercizi, informazioni,…per gli alunni    Prof. Rosa Vona
· Wikipedia
· Studenti.it

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