Quando l'energia termica viene trasferita da un sistema all'altro attraverso la dispersione del calore, il fenomeno è chiamato trasferimento di calore.
Questo può essere fatto in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento.
Conduzione vs Convezione vs Radiazione
Il differenza tra conduzione, convezione e irraggiamento riguarda il modo in cui il calore viene trasferito da una zona con energia cinetica maggiore a una zona con energia cinetica inferiore. Nella conduzione, ciò avviene attraverso il contatto fisico diretto tra due oggetti. La convezione, invece, si verifica quando il calore viene trasferito attraverso il movimento delle molecole. La radiazione non richiede il contatto fisico tra due oggetti come gli altri metodi.
Tabella di confronto tra conduzione, convezione e radiazione (in forma tabulare)
| Parametro di confronto | Conduzione | Convezione | Radiazione |
|---|---|---|---|
| Definizione | Processo di trasferimento di calore tra oggetti attraverso il contatto fisico diretto. | Processo di trasferimento di calore attraverso un mezzo fluido come liquidi o gas. | Processo di trasferimento del calore tramite onde elettromagnetiche. |
| Metodo | Il calore viene trasferito a causa della collisione molecolare quando i solidi entrano in contatto tra loro. | Il calore viene trasferito dal flusso dei fluidi. | Il calore viene trasferito attraverso la radiazione emessa dai corpi senza bisogno di un mezzo. |
| Causa | Il calore si propaga da un'area ad alta temperatura ad una a bassa temperatura. | Calore che viaggia da un'area a bassa densità ad un'area ad alta densità. | Energia emessa dai corpi attraverso i movimenti rotatori e vibrazionali di atomi e molecole. |
| medio | Solidi riscaldati. | Sostanza interposta come fluidi. | Onde elettromagnetiche. |
Cos'è la conduzione?
Il processo di trasferimento del calore attraverso il contatto diretto tra due oggetti è chiamato conduzione.
Quando le molecole di un oggetto assorbono energia termica iniziano a muoversi rapidamente e nel farlo entrano in contatto con gli oggetti vicini e si verifica un trasferimento di energia.
Affinché la conduzione avvenga, è necessario tenere a mente alcuni fattori.
Il primo è il gradiente di temperatura che è la descrizione della direzione in cui scorre il calore e la velocità di trasferimento. Il processo di conduzione da una sorgente calda ad una sorgente fredda (o priva di energia termica) continua fino a quando entrambi i corpi raggiungono uno stato di equilibrio termico.
Un altro fattore importante è la dimensione degli oggetti coinvolti. Gli oggetti più grandi richiedono più calore per essere riscaldati ma allo stesso tempo perdono calore più velocemente. Questo perché più grande è la loro superficie, più entrano in contatto con l'aria aperta. Bisogna tenere in considerazione anche le proprietà fisiche degli oggetti.
Se usi un cucchiaio di legno durante la cottura, noterai che il cucchiaio non si surriscalda. Questo perché il legno è un cattivo conduttore.
Tuttavia, se dovessi usare un cucchiaio di metallo, il calore verrà trasferito su di esso molto rapidamente perché il metallo è un buon conduttore. I cattivi conduttori sono anche chiamati isolanti. Impediscono all'energia di fluire lontano dalla fonte.
Ad esempio, gli orsi polari sono in grado di sopravvivere nelle regioni artiche perché la loro pelliccia funge da isolante che intrappola il calore all'interno del corpo.
Cos'è la convezione?
Quando si verifica il movimento di massa di un fluido dovuto al fluido riscaldato che si allontana dalla fonte di calore, trasporta energia con sé. Anche questa è una forma di trasferimento di calore e si chiama convezione.
Questo processo avviene perché il calore diminuisce la densità di fluidi come aria e acqua. La perdita di densità fa salire il fluido creando così correnti convettive che possono trasferire energia.
Man mano che gli strati riscaldati del fluido salgono, gli strati più freddi che conservano ancora la loro densità scendono verso la fonte di calore finché non si riscaldano e iniziano a salire.
Esistono due tipi di convezione: spontanea e forzata. Nel primo, la convezione avviene naturalmente a causa della galleggiabilità. La differenza di temperatura provoca una differenza di densità.
Ad esempio, quando il calore del sole riscalda la terra, il mare assorbe la maggior parte dell'energia ma impiega più tempo per riscaldarsi rispetto alla terraferma.
Pertanto l'aria sopra la terra perde densità più velocemente portando alla creazione di un'area di bassa pressione sulle aree costiere. Ma l'area sopra il mare ha una pressione più alta e questo fa muovere l'aria dall'area a pressione più alta verso l'area a pressione più bassa, cioè dal mare alla terra.
Questo è il motivo per cui la brezza vicino al mare è generalmente più forte. La convezione forzata è causata utilizzando una fonte esterna come un ventilatore o un geyser. È correlato alla legge del raffreddamento di Newton, la cui equazione è la seguente:
P = dQ/dt = hA(T-T0)
Qui P = dQ/dt è la velocità di trasferimento del calore. L'h è il coefficiente di scambio termico per convezione. A è la superficie del materiale esposto.
T si riferisce alla temperatura dell'oggetto nel fluido e T0 si riferisce alla temperatura del fluido fatto subire il processo di convezione.
Che cos'è la radiazione?
A differenza della conduzione e della convezione, che richiedono entrambe un contatto fisico effettivo tra due corpi, l'irraggiamento è il trasferimento di calore che avviene anche quando i corpi non entrano in contatto o sono separati nello spazio.
Tutto nell'universo è costituito da atomi che insieme formano molecole. La rotazione e la vibrazione degli atomi e delle molecole assicurano che tutte le sostanze continuino ad emettere energia attraverso la radiazione elettromagnetica.
Gli elettroni ad alta energia ad alti livelli atomici scendono a livelli in cui l'energia è più bassa. L'energia persa lungo il percorso viene emessa come radiazione elettromagnetica.
Quando l'energia viene assorbita da un atomo, i suoi elettroni salgono a livelli energetici più elevati. Pertanto, quando la velocità con cui l'energia viene assorbita è bilanciata dalla velocità con cui viene emessa, la temperatura della sostanza non cambierà.
Se il primo è maggiore del secondo, la temperatura aumenterà e se è inferiore, anche la temperatura diminuirà.
Un esempio comune di trasferimento di calore per irraggiamento è il sole. Non entra in contatto con nessuno degli altri pianeti né esiste un mezzo fisico per il trasferimento di calore.
Eppure siamo in grado di sentirne il calore grazie alla radiazione elettromagnetica che emette che permette ai suoi raggi di raggiungere la terra.
Principali differenze tra conduzione, convezione e radiazione
Conclusione
Conduzione, convezione e radiazione sono concetti importanti nello studio della termodinamica.
In poche parole, il calore che viaggia da un oggetto caldo o da un'area calda a un oggetto freddo dell'area è conduzione.
Il calore viene trasferito attraverso il movimento di correnti fluide è convezione e il calore trasferito attraverso onde elettromagnetiche senza alcun mezzo è radiazione.
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0142727X94000144
- https://asmedigitalcollection.asme.org/heattransfer/article-abstract/85/4/318/414710
