MECCANISMI DELLO SCAMBIO TERMICO

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Categoria:	Scienze Della Materia
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MECCANISMI DELLO SCAMBIO TERMICO
Esistono tre meccanismi distinti per cui si può verificare uno scambio di calore tra corpi diversi: CONDUZIONE, CONVEZIONE e IRRAGGIAMENTO. A seconda delle condizioni sperimentali, uno dei tre meccanismi può avere un’influenza predominante sugli atri ma questo non esclude che molto spesso si trovino tutti e tre contemporaneamente presenti.
CONDUZIONE: lo scambio di calore attraverso il meccanismo di conduzione si verifica tra corpi (o parti dello stesso corpo) aventi temperatura diversa, senza che vi sia alcun movimento di materia. Prendiamo per esempio una parete di spessore “s” e di superficie “S”. nella faccia della parete interna misuriamo una temperatura ambiente di 20°C, mentre nella parte esterna, misuriamo -3°C. L’intensità del flusso termico che attraversa la parete è proporzionale alla differenza di temperatura (∆t = ti – te) tra le due facce della parete e dipende dalle caratteristiche di quest’ultima. Il flusso sarà tanto più intenso quanto maggiore sarà la superficie della parete, quanto minore è il suo spessore e quanto più grande risulta la costante λ.
Il coefficiente di conducibilità termica dipende dalla natura dei materiali: sono buoni conduttori i metalli, cattivi conduttori le sostanze non metalliche, pessimi conduttori i liquidi in genere e soprattutto i gas, per esempio l’aria. Possiamo concludere con una formula riassuntiva della conduzione:
ti (20°C)
λ S (ti – te) Q
Q = ζ
s

te (-3°C)
CONVEZIONE: questo meccanismo si ha quando c’è uno scambio di calore tra una parete fissa riscaldata e un fluido in movimento. Infatti, in questo meccanismo, oltre a un flusso di calore, troviamo anche un effettivo movimento microscopico di materia, che da vita a dei moti convettivi. Essi sono dovuti al fatto che gli strati più caldi di un fluido tendono a dilatarsi e ad acquistare perciò una densità inferiore rispetto a quella degli strati più freddi. Quindi il fluido caldo (più leggero) tenderà a salire verso l’alto, mentre quello freddo (più pesante) tenderà ad andare verso il basso. Ma quando si riscalda un fluido, non sempre si creano moti convettivi, per esempio quando il fluido si trova in ambienti molto stretti che impediscono la libera circolazione o perché la fonte di calore si trova in alto. Il coefficiente di convezione viene indicato con la lettera “c” Possiamo riassumere il meccanismo della conduzione con la seguente formula: Q = c S ∆t
IRRAGGIAMENTO: Esiste un terzo meccanismo che, a differenza degli altri due, non richiedono la necessaria presenza di materia. Infatti, tutti i corpi caldi emettono particolari radiazioni (raggi infrarossi) che si possono trasmettere anche attraverso il vuoto; se questi raggi colpiscono un corpo più freddo di quello che li ha generati, vengono in parte assorbiti e si produce in questo modo uno scambio termico. La quantità di calore trasmessa per irraggiamento da un corpo caldo è fortemente influenzata dalla sua temperatura e dalla natura della superficie del corpo più freddo. Superfici porose e annerite assorbono infatti per intero la radiazione incidente, mentre superfici bianche o speculari la riflettono in gran parte. Il coefficiente di irraggiamento viene indicato con la lettera “i”. Riassumiamo il meccanismo di irraggiamento con la seguente formula: Q = i s ∆t
ISOLAMENTO TERMICO DI UN RECIPIENTE
I recipienti che devono rimanere termicamente isolati dall’esterno sono costruiti in modo da ridurre al minimo sia la conduzione, sia la convezione, sia l’irraggiamento. I modi per la costruzione di questi recipienti, sono gli stessi di quelli usati dal fisico britannico Dewar che costruì questi vasi per conservare in essi gas e liquidi a bassissima temperatura. In un vasi Dewar la conduzione e la convezione vengono quasi eliminati grazie a una intercapedine nella quale si fa il vuoto; mentre l’irraggiamento viene ridotto rendendo speculari le superfici del contenitore.