Calore e termodinamica

La propagazione del calore

La trasmissione del calore tra due corpi avviene, come si è visto, spontaneamente da un corpo a temperatura maggiore a un corpo a temperatura minore e il processo continua fino a che i due corpi non hanno raggiunto la stessa temperatura. Questo stato è detto stato di equilibrio termico. A seconda delle caratteristiche dei corpi coinvolti, la propagazione del calore può avvenire secondo tre meccanismi differenti: la conduzione, la convezione e l'irraggiamento.

La conduzione

Il trasferimento di calore per conduzione ha luogo tra due corpi a contatto, o tra parti di uno stesso corpo, che si trovano a temperature differenti. In questo caso, nella zona di contatto tra i due corpi, le particelle del corpo a temperatura maggiore, che possiedono un'energia cinetica più elevata, urtandosi con le particelle del corpo a temperatura minore, che possiedono un'energia cinetica più bassa, trasferiscono loro una parte della loro energia cinetica. Nella conduzione il calore si propaga attraverso gli urti tra le particelle. La conseguenza è un aumento della temperatura del corpo più freddo e una diminuzione della temperatura del corpo più caldo. Riscaldando per conduzione l'estremità di una sbarra metallica, per esempio, il calore si propaga all'interno della sbarra per urti fra le particelle del metallo, riscaldando gradatamente anche l'altra estremità. La conduzione è il solo metodo di propagazione del calore dei corpi solidi (mentre nei liquidi è accompaganata anche da un altro processo, la convezione).

La capacità di trasferire calore per conduzione, ovvero la quantità di calore trasmesso nel processo, dipende strettamente dalla natura del materiale, attraverso una grandezza, la conducibilità termica, caratteristica del materiale stesso. Le sostanze che hanno un'elevata conducibilità termica sono buoni conduttori di calore, mentre quelle per cui la conducibilità è bassa sono dette isolanti termici. In genere i metalli sono buoni conduttori di calore e la ragione microscopica è legata alla loro struttura interna: nei metalli una parte degli elettroni presenti negli atomi è libera di muoversi attraverso il metallo e questi elettroni, che sono responsabili anche dell'elevata conducibilità elettrica di questi materiali sono anche i responsabili della conduzione del calore. Il legno, il vetro, l'aria e alcuni materiali plastici particolarmente porosi (come, per esempio, il polistirolo) sono invece isolanti termici e vengono infatti impiegati per isolare le abitazioni da eventuali fughe di calore verso l'esterno. La tabella 11.2 riporta la conducibilità termica di alcuni materiali.

La quantità di calore trasmesso per conduzione per unità di tempo tra due punti è direttamente proporzionale alla superficie su cui cui avviene lo scambio termico e alla differenza di temperatura tra i due punti (il gradiente termico). La costante di proporzionalità è il coefficiente di conducibilità termica, che dipende dalla natura del corpo.

La convezione

La convezione è il processo di trasferimento di calore tipico dei fluidi. I fluidi hanno una capacità termica molto bassa e il processo di conduzione è di conseguenza molto lento. La convezione in un fluido è legata al trasporto di materia: quando si riscalda un fluido, la sezione che viene riscaldata per conduzione (per esempio attraverso il contatto con una parete a temperatura maggiore di quella del fluido) si sposta all'interno del fluido, trasportando energia termica. Si creano così all'interno del fluido delle correnti convettive, in modo che le molecole di fluido più ricche di agitazione termica si trasferiscono in un'altra parte del fluido stesso, trasportando il calore all'interno della massa del fluido stesso. Riscaldando una pentola d'acqua su un fornello, per esempio, la parte di acqua a contatto con la superficie inferiore della pentola si riscalda prima, viene sospinta verso l'alto a causa della sua minore densità (dovuta alla maggiore temperatura), mentre l'acqua più fredda viene sospinta verso il basso: le correnti che si creano trasportano il calore da un punto all'altro della massa d'acqua, riscaldando in breve tutto il fluido.

L'irraggiamento

Nei processi di conduzione e di convezione del calore è necessaria la presenza di materia: nel primo caso due corpi devono essere a contatto, nel secondo caso vi è trasferimento di materia di un fluido. Ma il calore si può propagare anche nel vuoto, senza contatto o senza trasferimento di materia. L'irraggiamento è il meccanismo di propagazione del calore nel vuoto ed è il modo in cui la Terra riceve calore dal Sole. Lo spazio interplanetario si può considerare prevalentemente vuoto, poiché la densità di materia al suo interno è molto bassa. Eppure la Terra è riscaldata dal Sole. I corpi caldi, come il Sole, la cui superficie è a circa 6000 K, emettono radiazione elettromagnetica, costituita da onde generate da campi elettrici e magnetici, che si propagano nello spazio vuoto alla velocità della luce (circa 300.000 km/s). La radiazione elettromagnetica trasporta energia (energia elettromagnetica), che quando investe un corpo si trasferisce alle sue particelle, provocandone un aumento dell'energia cinetica. L'irraggiamento è il trasferimento di calore dovuto all'assorbimento di radiazione elettromagnetica. In questo caso non vi è trasporto di calore, ma di un'altra forma di energia, che si trasforma in calore a causa dell'assorbimento di onde elettromagnetiche. La quantità di energia elettromagnetica emessa da un corpo dipende dalla sua temperatura e la quantità di energia assorbita dal corpo colpito dalla radiazione dipende dalla natura della superficie. Una superficie chiara riflette maggiormente la radiazione elettromagnetica di quanto la assorbe, mentre una superficie scura assorbe più radiazione di quanta ne riflette. Una distesa di ghiaccio o di neve riflette maggiormente la radiazione solare, mentre una distesa erbosa ne assorbe più di quanta ne riflette. Il rapporto tra radiazione riflessa e radiazione totale incidente sulla superficie di un pianeta è detto albedo: l'albedo terrestre varia considerevolmente a seconda del tipo di superficie e della copertura nuvolosa e ha un valore medio di 0,35.

Tab. 11.2: Coefficiente di conducibilità termica di alcune sostanze

Coefficiente di conducibilità termica di alcune sostanze
SOSTANZA CONDUCIBILITÀ TERMICA (W/m °C)
argento 460
rame 380
alluminio 200
ferro 67
legno 0,2
vetro 0,6
acqua 0,4
aria secca
0,025

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