Trasferimento di calore di guida (con esempi)

IL Trasferimento di calore di guida È costituito dal passaggio o dal flusso di energia tra due corpi a temperature diverse, quando entrano in contatto. Il calore scorre dal più caldo al più freddo, fino a quando entrambi sono alla stessa temperatura. Si dice quindi che il sistema ha raggiunto l'equilibrio termico.

È un meccanismo di trasmissione di calore frequente nei solidi, sebbene si verifichi anche all'interno delle stelle che sono normalmente gassose. Tuttavia, i nuclei delle stelle avanzate nella loro evoluzione sono abbastanza densi da rendere significativo questo meccanismo.

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Meccanismo di guida calorico

Il trasferimento di calore di guida avviene attraverso lo scambio di energia tra molecole, atomi ed elettroni. Mentre lo scambio si verifica, le particelle più energetiche danno parte della loro energia alla minima energia attraverso le collisioni che si svolgono tra di loro.

Il calore viene trasferito dal cibo al cibo nel wok, anche i manghi degli utensili sono protetti con materiale isolante per evitare le ustioni

Ad esempio, in una casseruola che verrà infranta, tutte le particelle del materiale oscillano con una certa ampiezza. La fiamma riscalda quelle che si avvicinano, e questi iniziano a vibrare più rapidamente, aumentando la loro ampiezza di oscillazione e vincitrice di energia.

Parte di questa energia viene trasmessa alle molecole vicine, che a loro volta aumentano la loro ampiezza di oscillazione e acquisiscono anche energia progressivamente.  E di queste particelle, parte dell'energia si diffonde alle particelle più lontane dalla fiamma.

Una delle estremità della barra viene riscaldata e l'energia viene trasferita tra le molecole fino a raggiungere l'altra estremità. Fonte: Wikimedia Commons.

Gli aumenti dell'ampiezza dell'oscillazione delle particelle si traducono in un aumento della temperatura, che può essere sentito con la mano, se ti avvicini abbastanza al metallo della casseruola, compresa la maniglia o le maniglie, quindi sono sempre coperte da un isolante, quindi che possono essere manipolati senza bruciare.

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Ora, la velocità del processo di guida dipende dal materiale, poiché alcune sostanze conducono molto meglio di altre.

A questo proposito, i metalli sono sicuramente eccellenti conduttori di calore ed elettricità. Sono migliori del legno e delle materie plastiche, perché i loro atomi hanno almeno un elettrone libero nello strato più esterno, che può muoversi attraverso il materiale e trasportare energia con loro.

Ma sorprendentemente, il diamante è il miglior conduttore termico che esiste, sebbene a causa del suo prezzo, non vi è altra alternativa per accontentarsi dei metalli quando si tratta di applicazioni pratiche.

Nuove indagini indicano che un composto di boro e arsenico è probabilmente buono quanto il diamante per sparare in modo efficiente il calore.

Velocità di guida termica

Per sapere quanto velocemente il calore si propaga guidando, considera un foglio di ampio materiale e area laterale a. La faccia sinistra è in contatto con una fonte di calore (in rosso) a temperatura t_H, Mentre l'altra faccia è adiacente a un oggetto più freddo, la temperatura T_C.

Una barra nel mezzo di due fonti a temperature diverse. Il calore scorre tra i due lati dalla fonte di temperatura più alta al più freddo. Fonte: Wikimedia Commons/F. Zapata.

Il calore che scorre tra le facce, dal lato più caldo al più freddo, in un tempo ΔT. Sperimentalmente si scopre che la velocità di cambio o la velocità con cui i flussi di calore tra le facce sono proporzionali a:

-Area A dei volti.

-La differenza di temperatura Δt tra loro.

Ed è anche inversamente proporzionale allo spessore della piastra. Matematicamente è espresso come segue:

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La costante di proporzionalità si chiama conducibilità termica K, Perciò:

La conducibilità termica è una caratteristica del materiale. Per quanto riguarda le unità presenti, nel sistema internazionale che viene misurato in joule (j), Δt in secondi (s), quindi q/ Δt rimane in J/ s che è equivalente a Watios (W). In questo caso, le unità di conducibilità termica sono W/M ∙ ºC, se la temperatura viene misurata in gradi Celsius o W/M ∙ K quando si utilizza la scala assoluta in Kelvin.

Buoni conduttori termici hanno valori elevati di K, evidenziando metalli e diamante.

Poiché Q/ Δt è potenza, se è indicato da P è:

Conduttività termica di alcuni materiali

Successivamente, la conduttività termica di alcune sostanze conosciute frequentemente, in unità del sistema internazionale se W/M ∙ K:

-Diamond sintetico: 2000
-Argento: 429
-Oro: 317
-Rame: 385
-Zinco: 116
-Tungsteno: 174
-Aria: 0.024

Esempi di trasferimento di calore di guida

Il trasferimento di calore di guida è presente in molti modi di vita quotidiana:

Utensili da cucina

Le pentole, le padelle e in generale gli utensili di cottura in metallo come l'acciaio, hanno mango di materiale isolante. Ciò riduce il rischio di ustioni quando le manipolano mentre sono in contatto con la fiamma o il contenuto è caldo.

Metallo e legno

Quando un pezzo di legno viene trattenuto in una mano e un altro di metallo nell'altra, si nota immediatamente che questo è più freddo al tatto. I metalli, come spiegato sopra, sono buoni driver di calore, quindi il calore scorre più velocemente dalla mano al metallo rispetto alla mano al legno.

In questo modo il contatto con il metallo si raffredda più velocemente la mano di coloro che lo tengono, e di conseguenza sembra più freddo del legno, il che non è così buono conducente.

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Coperte e copertine

Le nuove copertine sembrano più riscaldate delle copertine usate, e questo perché quelle nuove hanno più aria all'interno delle fibre e dei pori. Più aria all'interno, meglio funziona una copertura, poiché l'aria è un ottimo isolatore termico.

Isolante per le case

In molte parti del mondo in cui fa molto freddo in inverno, le case sono protette con materiali isolanti a calore, in modo che l'interno rimanga più comodo.

Ad esempio, c'è la fibra di vetro, che contiene spazi aerei all'interno, che funziona come isolante termico, impedendo al calore di fuggire.

Pompe di calore

Le pompe di calore estraggono calore dal macchinario che guida il calore attraverso i condotti metallici, dalle parti surriscaldate alle aree più fredde.

Dilatazione termica nei metalli

Quando un oggetto metallico viene riscaldato, le particelle costituenti oscillano con una maggiore ampiezza e la conseguenza è che le dimensioni dell'oggetto aumentano.

Contenitori per materiali isolanti

I contenitori destinati a mantenere il cibo in buone condizioni più a lungo sono fatti di materiale isolante in modo che il calore dall'esterno non rompa il cibo.

Esercizio risolto

La sezione trasversale di un blocco di rame ha un'area di 20 cm² e 50 cm di lunghezza. Uno dei lati è a 0º C e l'altro a 100 º C. Calcola la velocità con cui viene trasmesso il calore.

Soluzione

Verrà utilizzata l'equazione precedentemente detratta:

Dall'elenco del driver, il rame è k = 400 W/m ∙ K e sebbene le temperature indicate nell'istruzione siano in gradi Celsius, l'intervallo ΔT è lo stesso su entrambe le scale:

ΔT = 100 K

La lunghezza è l = 50 cm = 0.5 m e l'area è a = 20 cm² = 0.002 m², Resta da sostituire i valori nell'equazione:

 Riferimenti

1. Giambattista, a. 2010. Fisica. 2 °. Ed. McGraw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Scienze fisiche concettuali. 5 °. Ed. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 °. Ed. Volume 1. Pearson.
5. Serway, r., Jewett, J. 2008. Fisica per la scienza e l'ingegneria. Volume 1. 7 °. Ed. Apprendimento del Cengage.
6. Tippens, p. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. McGraw Hill.