Leggi sul trasferimento del calore, forme di trasmissione, esempi

Esiste trasferimento di calore Quando l'energia passa da un corpo all'altro a causa della differenza di temperatura tra i due. Il processo di trasferimento del calore cessa non appena le temperature dei corpi a contatto vengono equalizzate o quando viene soppresso il contatto tra loro.

La quantità di energia trasferita da un corpo all'altra in un certo periodo di tempo è chiamata Calore trasferito. Un corpo può dare calore a un altro, oppure può assorbirlo, ma il calore passa sempre dal corpo di temperatura più alta alla temperatura più bassa.

Figura 1. In un falò vengono forniti i tre meccanismi di trasferimento di calore: guida, convezione e radiazioni. Fonte: Pixabay.

Le unità di calore sono le stesse di quelle di energia e nel sistema internazionale di misure (SI) è il joule (j). Altre unità di calore usate di frequente sono calorie e BTU. 

Per quanto riguarda le leggi matematiche che governano il trasferimento di calore, queste dipendono dal meccanismo che interviene nello scambio. 

Quando il calore viene condotto da un corpo all'altro, la velocità con cui viene scambiato il calore è proporzionale al differenziale di temperatura. Questo è noto come il Legge di Fourier di conducibilità termica, che porta al Newton Cooling Law.

[TOC]

Forme/meccanismi di trasmissione del calore

Sono i modi in cui il calore può essere scambiato tra due corpi. Sono riconosciuti tre meccanismi:

-Guida

-Convezione

-Radiazione

In una pentola come quella mostrata nella figura sopra, ci sono questi tre meccanismi di trasferimento di calore:

-Il metallo della pentola è riscaldato principalmente dalla guida.

-Calore dell'acqua e dell'aria e salire per convezione.

-Le persone vicine alla pentola sono riscaldate dalla radiazione emessa.

Guida

La conduzione del calore si verifica principalmente nei solidi e in particolare nei metalli.

Ad esempio, il corno della cucina trasmette il calore al cibo all'interno della pentola attraverso il meccanismo di guida in metallo e le pareti metalliche del contenitore. Nella conduzione termica non c'è trasporto di materiali, solo energia.

Convezione

Il meccanismo di convezione è tipico di liquidi e gas. Quasi sempre questi sono meno densi a una temperatura più elevata, per questo motivo c'è un trasporto di calore nel senso ascendente del fluido più caldo alle regioni alte con il fluido più freddo. Nel meccanismo di convezione c'è il trasporto materiale. 

Può servirti: equilibrio instabile: concetto ed esempi

Radiazione

Da parte sua, il meccanismo di radiazione consente lo scambio di calore tra due corpi anche quando non sono in contatto. L'esempio immediato è il sole, che riscalda la terra attraverso lo spazio vuoto tra i due. 

Tutti i corpi emettono e assorbono le radiazioni elettromagnetiche. Se hai due corpi a temperature diverse, anche a un vuoto, dopo un po 'raggiungeranno la stessa temperatura a causa dello scambio calorico di radiazioni elettromagnetiche.

Velocità di trasferimento calorico

Nei sistemi termodinamici in equilibrio importa la quantità di calore totale scambiata con l'ambiente, in modo che il sistema passi da un equilibrio a un altro.

D'altra parte, il trasferimento di calore, l'interesse si concentra sul fenomeno transitorio, quando i sistemi non hanno ancora raggiunto l'equilibrio termico. È importante notare che la quantità di calore viene scambiata in un certo periodo di tempo, cioè c'è una velocità di trasferimento del calore.

Esempi

- Esempi di guida al calore

Nella conduttività termica l'energia termica viene trasmessa da collisioni tra atomi e molecole del materiale, sia questo solido, liquido o gas. 

I solidi sono conduttori di calore migliori rispetto a gas e liquidi. Nei metalli ci sono elettroni gratuiti che possono muoversi attorno al metallo.

Poiché gli elettroni liberi hanno una grande mobilità, sono in grado di trasmettere l'energia cinetica mediante collisioni in modo più efficiente, quindi i metalli hanno un'alta conducibilità termica.

Dal punto di vista macroscopico, la conduttività termica viene misurata come la quantità di calore trasferita per unità di tempo o la corrente calorica H:

figura 2. Conduzione del calore attraverso una barra. Preparato da Fanny Zapata.

La corrente calorica H è proporzionale alla sezione trasversale A e alla variazione di temperatura per unità di distanza longitudinale.

La formula precedente è nota come Legge di Fourier e la costante di proporzionalità K È conducibilità termica. 

Questa equazione viene applicata per calcolare la corrente calorica H di una barra come quella in Figura 2, che si trova tra due serbatoi di temperatura T₁ E T₂ rispettivamente, essere T₁> T₂.

Conduttività termiche dei materiali

Di seguito c'è un elenco della conduttività termica di alcuni materiali Watt su Kelvin: W/(M . K) 

Può servirti: Galileo Galilei e la sua legge autunnale libera

Alluminio -205

Rame -385

Argento -400

Acciaio -50

Sughero o fibra di vetro- 0,04

Cemento o vetro -0,8

Wood- da 0,05 a 0,015

Aria - 0,024

- Esempi di calore per convezione

Nella convezione del calore, l'energia viene trasferita a causa del movimento del fluido, che, a temperature diverse, ha densità diverse. Ad esempio, quando bolle l'acqua in una pentola, l'acqua vicino al fondo aumenta la sua temperatura, quindi si dilata.

Questa dilatazione fa aumentare l'acqua calda, mentre il freddo è basso per occupare lo spazio lasciato dall'acqua calda che è salita. Il risultato è un movimento di circolazione che continua fino a quando le temperature di tutti i livelli sono uguali.

La convezione è quella che determina il movimento delle grandi masse d'aria dell'atmosfera terrestre e determina anche la circolazione delle correnti marine.

- Esempi di calore per radiazione

Nei meccanismi di trasmissione del calore per conduzione e convezione, è richiesta la presenza di un materiale in modo che il calore venga trasmesso. D'altra parte, nel meccanismo di radiazione il calore può passare da un corpo all'altro attraverso il vuoto.

Questo è il meccanismo con cui il sole, a una temperatura più elevata rispetto alla terra, trasmette energia al nostro pianeta direttamente dal vuoto dello spazio. Le radiazioni ci raggiungono da onde elettromagnetiche.

Tutti i materiali sono in grado di emettere e assorbire le radiazioni elettromagnetiche. La frequenza massima emessa o assorbita dipende dalla temperatura del materiale e detta frequenza aumenta con la temperatura.

La lunghezza d'onda predominante nello spettro di emissione o assorbimento di un corpo nero segue il Wien Law, che stabilisce che la lunghezza d'onda predominante è proporzionale all'inverso della temperatura corporea.

D'altra parte, la potenza (in watt) con cui un corpo emette o assorbe l'energia calorica mediante radiazione elettromagnetica è proporzionale alla quarta potenza di temperatura assoluta. Questo è noto come il Stefan Law:

P = εaσt⁴

Nell'espressione precedente σ È costante di Stefan e il suo valore è 5,67 x 10-8 w/m² K⁴. A È l'area della superficie corporea e ε È l'emissività del materiale, una costante senza dimensioni il cui valore è compreso tra 0 e 1 e dipende dal materiale.

Può servirti: processo isobarico: formule, equazioni, esperimenti, esercizi

Esercizio risolto

Considera la barra nella Figura 2. Supponiamo che la barra sia lunga 5 cm, raggio di 1 cm ed è rame.

La barra è posizionata tra due pareti che mantengono la sua temperatura costante. La prima parete ha una temperatura T1 = 100 ° C, mentre l'altra è a T2 = 20ºC. Determinare:

A.- Il valore della corrente termica h

B.- La temperatura della barra di rame a 2 cm, 3 cm e 4 cm dalla parete di temperatura T1.

Soluzione a

Poiché la barra di rame è posizionata tra due pareti le cui pareti mantengono la stessa temperatura in ogni momento, si può dire che è nel regime stazionario. Vale a dire che la corrente termica H ha lo stesso valore per qualsiasi momento.

Per calcolare questa corrente applichiamo la formula che mette in relazione la corrente H alla differenza di temperatura e alla lunghezza della barra.

Poiché la barra è rame, sappiamo nella tabella precedentemente mostrato che il suo buono di conducibilità termica K: 385 W/(M K).

La sezione trasversale è:

A = πr² = 3.14*(1 × 10^-2M)² = 3.14 x 10^-4 M²

La differenza di temperatura tra le estremità della barra è

ΔT = (100ºC - 20ºC) = (373K - 293K) = 80K

Δx = 5 cm = 5 x 10^-2 M

H = 385 W/(M K) * 3.14 x 10^-4 M² * (80k /5 x 10^-2 m) = 193,4 W

Questa corrente è la stessa in qualsiasi momento del bar e in qualsiasi momento, dal momento che il regime stazionario è stato raggiunto.

Soluzione b

In questa parte ci viene chiesto di calcolare la temperatura Tp A un certo punto P Situato a distanza XP Per quanto riguarda il muro T₁.

L'espressione che dà la corrente calorica H sul punto P È:

H = k a (t₁ -TP)/(XP)

Da questa espressione può essere calcolato Tp Attraverso:

Tp = t₁ - (H XP) / (K a) = 373 K - (193,4 W / (385 W / (M K) 3.14 x 10^-4 M²))*XP

TP = 373 K - 1620,4 (k/m) * XP

Calcoliamo la temperatura Tp In posizioni rispettivamente 2 cm, 3 cm e 4 cm, sostituendo i valori numerici:

• Tp = 340.6K = 67,6 ºC; 2 cm da T1
• Tp = 324.4k = 51,4 ºC; 3 cm da T1
• Tp = 308.2K = 35,2 ºC; 4 cm da T1

Riferimenti

1. Figueroa, d. 2005. Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 5. Fluidi e termodinamica. A cura di Douglas Figueroa (USB).
2. Kirkpatrick, l. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6a edizione abbreviata. Apprendimento del Cengage.
3. Lay, j. 2004. Fisica generale per gli ingegneri. Usach.
4. Mott, r. 2006. Meccanica dei fluidi. 4 °. Edizione. Pearson Education. 
5. Strangeways, io. 2003. Misurare l'ambiente naturale. 2 °. Edizione. Cambridge University Press.
6. Wikipedia. Conduttività termica. Recuperato da: è.Wikipedia.com