Trasferimento di calore — conduzione, convezione e irraggiamento

Il trasferimento di calore è energia termica che si sposta a causa di una differenza di temperatura. Nelle situazioni ordinarie, il flusso netto di calore va dalla regione più calda a quella più fredda. I tre modi principali sono conduzione, convezione e irraggiamento.

Il modo più rapido per distinguerli è porsi tre domande. Le regioni sono a contatto? C'è un fluido in movimento? Le superfici possono scambiarsi radiazione elettromagnetica? Queste domande di solito indicano quale meccanismo conta di più.

In che cosa differiscono conduzione, convezione e irraggiamento

Conduzione

La conduzione è il trasferimento di calore attraverso la materia o tra materiali a contatto. Il materiale non deve muoversi nel suo insieme.

Il classico esempio è un cucchiaio di metallo che si scalda in una zuppa calda. L'energia si sposta dall'estremità più calda verso quella più fredda attraverso il cucchiaio.

Convezione

La convezione coinvolge un fluido, cioè un liquido o un gas. Una parte del trasferimento di energia avviene su una superficie, e un'altra parte avviene perché il fluido stesso si muove e trasporta energia con sé.

Se il moto avviene soprattutto perché il fluido più caldo diventa meno denso e sale, si parla di convezione naturale. Se il moto è generato da una ventola o da una pompa, si parla di convezione forzata.

Irraggiamento

L'irraggiamento è il trasferimento di calore tramite onde elettromagnetiche. A differenza di conduzione e convezione, può avvenire anche nel vuoto.

Per questo la luce del Sole può riscaldare la Terra. La radiazione termica è importante anche nei forni, nelle fornaci e negli ambienti comuni ogni volta che superfici a temperature diverse si scambiano energia.

Un esempio che mostra tutti e tre i meccanismi

Immagina una tazza di tè caldo appoggiata su un tavolo.

Il calore si trasferisce per conduzione attraverso la parete della tazza e nel tavolo nel punto in cui sono a contatto. Si trasferisce anche per conduzione in un cucchiaino, se viene lasciato nella tazza.

Il calore si trasferisce per convezione all'interno del tè e nell'aria attorno alla tazza. Il fluido più caldo tende a muoversi e a mescolarsi, e questo aiuta a portare via energia termica dalle zone più calde.

Il calore si trasferisce per irraggiamento dalla tazza e dalla superficie del tè verso la stanza più fredda. Per questa parte non servono né aria in movimento né contatto diretto.

Questa è la lezione pratica principale: nelle situazioni reali spesso agiscono tutti e tre i meccanismi contemporaneamente. Nei problemi di fisica, il passaggio chiave è decidere quale meccanismo domina e quali sono abbastanza piccoli da poter essere trascurati.

Esempio svolto: conduzione attraverso una parete piana

Per una conduzione stazionaria unidimensionale attraverso uno strato piano di spessore $L$, un modello comune per la velocità di trasferimento del calore è

$$\dot{Q} = \frac{k A \Delta T}{L}$$

Qui $k$ è la conducibilità termica, $A$ è l'area e $\Delta T$ è la differenza di temperatura attraverso lo strato. Questo modello è utile solo quando quella geometria semplice e l'ipotesi di regime stazionario sono ragionevoli.

Supponiamo che una sezione di parete abbia:

• $k = 0.80\ \mathrm{W/(m \cdot K)}$
• $A = 10\ \mathrm{m^2}$
• $\Delta T = 15\ \mathrm{K}$
• $L = 0.20\ \mathrm{m}$

Allora

$$\dot{Q} = \frac{(0.80)(10)(15)}{0.20} = \frac{120}{0.20} = 600\ \mathrm{W}$$

Quindi, in queste condizioni, l'energia attraversa quella sezione di parete con una velocità di $600\ \mathrm{J/s}$.

La risposta supera anche un controllo intuitivo. Un'area maggiore dà più trasferimento, una differenza di temperatura maggiore dà più trasferimento e uno spessore maggiore dà meno trasferimento.

Errori comuni nel trasferimento di calore

Confondere calore e temperatura

La temperatura descrive lo stato termico. Il trasferimento di calore è energia che passa da una regione o da un sistema a un altro a causa di una differenza di temperatura.

Supporre che sia presente un solo meccanismo

Molti sistemi reali coinvolgono conduzione, convezione e irraggiamento allo stesso tempo. Un modello semplice può concentrarsi su un solo meccanismo, ma la situazione fisica può comunque includere anche gli altri.

Usare una formula senza le sue condizioni di validità

La formula della parete vista sopra non è una legge universale del trasferimento di calore. È un modello per una configurazione specifica di conduzione. Se la geometria è più complicata, le condizioni cambiano nel tempo oppure convezione e irraggiamento contano molto, allora cambia anche il calcolo.

Pensare che freddo significhi assenza di energia termica

Un oggetto più freddo può comunque contenere una grande quantità di energia interna. Il trasferimento di calore riguarda la direzione del flusso netto di energia, non il fatto che un oggetto “abbia calore” e l'altro no.

Dove si usa il trasferimento di calore in fisica e ingegneria

Il trasferimento di calore è importante nell'isolamento termico, nella cottura, nel raffreddamento dell'elettronica, nei motori, nelle scienze del clima, negli scambiatori di calore e nella progettazione degli edifici. Spiega anche molte osservazioni quotidiane, come il motivo per cui il metallo sembra più freddo del legno alla stessa temperatura ambiente o perché l'aria in movimento aiuta a raffreddare la pelle.

Una volta che sai distinguere chiaramente i tre meccanismi, molti problemi di termodinamica e di ingegneria diventano molto più facili da impostare.

Prova un problema simile

Cambia una condizione nell'esempio della parete e prevedi l'effetto prima di calcolare. Per esempio, raddoppia lo spessore o dimezza l'area, poi verifica come cambia la velocità di trasferimento del calore.