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La propagazione del calore: Il calore e la temperatura – StudiaFacile | Sapere.it

Il trasferimento di calore tra due corpi, come abbiamo visto, avviene spontaneamente da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, e il processo continua finché entrambi i corpi non hanno raggiunto la stessa temperatura. Questo stato è chiamato stato di equilibrio termico. A seconda delle proprietà dei corpi coinvolti, il calore può essere propagato mediante tre diversi meccanismi: conduzione, convezione e irraggiamento.

Conduzione

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Il trasferimento di calore conduttivo avviene tra due corpi in contatto o tra parti dello stesso corpo che si trovano a temperature diverse. Allo stesso tempo, nella zona di contatto tra i due corpi, le particelle del corpo a temperatura più alta, che hanno energia cinetica maggiore, si scontrano con le particelle del corpo a temperatura più bassa, che hanno energia cinetica minore, trasferendo parte della loro energia cinetica a loro. In conduzione, il calore viene dissipato dalle collisioni tra le particelle. Il risultato è un aumento della temperatura del corpo più freddo e un calo della temperatura del corpo più caldo. Ad esempio, attraverso il riscaldamento per conduzione all’estremità di un’asta metallica, il calore si diffonde all’interno dell’asta attraverso le collisioni tra le particelle di metallo e riscalda gradualmente anche l’altra estremità. La conduzione è l’unico metodo di propagazione del calore nei solidi (mentre nei liquidi è accompagnata da un altro processo, la convezione).

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La capacità di trasferire calore per conduzione, i. H. la quantità di calore ceduta nel processo dipende strettamente dal tipo di materiale, da una quantità, dalla conducibilità termica, caratteristica del materiale stesso. I materiali ad alta conducibilità termica sono buoni conduttori di calore, mentre quelli a bassa conducibilità termica sono detti isolanti termici. In generale i metalli sono buoni conduttori di calore e il motivo microscopico è legato alla loro struttura interna: nei metalli, parte degli elettroni presenti negli atomi possono muoversi liberamente attraverso il metallo, e questi elettroni sono anche responsabili dell’elevata conducibilità elettrica che questi materiali sono troppo responsabili della conduzione del calore. Il legno, il vetro, l’aria e alcuni materiali plastici particolarmente porosi (come il polistirene) sono invece degli isolanti termici e vengono effettivamente utilizzati per isolare le case dalle dispersioni di calore verso l’esterno. La tabella 11.2 mostra la conducibilità termica di alcuni materiali.

La quantità di calore trasferita per conduzione nell’unità di tempo tra due punti è direttamente proporzionale alla superficie su 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 composizione del corpo.

Convezione

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La convezione è il processo di scambio termico tipico dei liquidi. I liquidi hanno una capacità termica molto bassa e di conseguenza la conduzione è molto lenta. La convezione in un liquido è associata al trasporto di materia: quando un liquido viene riscaldato, la sezione riscaldata per conduzione (ad esempio per contatto con una parete a temperatura maggiore del liquido) si muove all’interno del fluido e trasporta energia termica. In questo modo si creano correnti di convezione all’interno del liquido in modo che le molecole del liquido più ricche di moto termico vengano trasferite in un’altra parte del liquido stesso, trasportando così il calore all’interno della massa del liquido stesso. Scaldando una pentola d’acqua su un fornello, ad esempio, la parte dell’acqua che viene a contatto con il fondo della pentola si riscalda prima, venendo spinta verso l’alto per la sua minore densità (dovuta alla maggiore temperatura), mentre l’acqua più fredda viene spinta verso il basso: le correnti che ne derivano trasportano il calore da un punto all’altro della massa d’acqua, riscaldando rapidamente l’intero liquido.

Radiazioni

I processi di conduzione e convezione richiedono la presenza di materia: nel primo caso due corpi devono essere a contatto, nel secondo caso è il trasferimento di massa di un liquido. Tuttavia, il calore può propagarsi anche nel vuoto senza contatto o trasferimento di massa. La radiazione è il meccanismo di propagazione del calore nel vuoto ed è il modo in cui la Terra riceve calore dal Sole. Lo spazio interplanetario può essere considerato in gran parte vuoto perché la densità della materia al suo interno è molto bassa. Ma la terra è riscaldata dal sole.I corpi caldi come il Sole, la cui superficie è di circa 6000 K, emettono radiazione elettromagnetica, che consiste in onde generate da campi elettrici e magnetici e che si propagano nello spazio vuoto alla velocità della luce (circa 300.000 km/s). La radiazione elettromagnetica trasporta energia (energia elettromagnetica), che quando colpisce un corpo viene trasferita alle sue particelle, determinando un aumento dell’energia cinetica. La radiazione è il trasferimento di calore dovuto all’assorbimento della radiazione elettromagnetica. In questo caso non c’è trasporto di calore, ma un’altra forma di energia, che viene convertita in calore assorbendo le onde elettromagnetiche. La quantità di energia elettromagnetica che un corpo emette dipende dalla sua temperatura e la quantità di energia che il corpo colpito dalla radiazione assorbe dipende dalla natura della superficie. Una superficie chiara riflette più radiazioni elettromagnetiche di quante ne assorbe, mentre una superficie scura assorbe più radiazioni di quante ne rifletta. Una superficie di ghiaccio o neve riflette di più la radiazione solare, mentre una superficie di erba assorbe più di quanto rifletta. Il rapporto tra la radiazione riflessa e la radiazione totale incidente sulla superficie di un pianeta è chiamato albedo: l’albedo terrestre varia notevolmente a seconda del tipo di superficie e della copertura nuvolosa, e ha un valore medio di 0,35.

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