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TRASMISSIONE DEL CALORE COVENZIONE E CONDUZZIONE - Coggle Diagram
TRASMISSIONE DEL CALORE COVENZIONE E CONDUZZIONE
Lo scambio di energia dovuto ad una differenza di temperatura si chiama
trasmissione del calore
.
Il calore non è una proprietà del corpo, ma energia in transito.
Quando esiste il trasferimento di calore?
1)
Temperature diverse
Se due corpi hanno la stessa temperatura non succede nulla.
2)
Nessuna parete adiabatica
Se tra due corpi c'è una parete perfettamente isolante il calore non passa.
Perché studiare lo scambio termico?
La termodinamica dice quanto calore viene scambiato.
La trasmissione del calore studia
con quale velocità
avviene lo scambio.
Le tre modalità di trasmissione del calore
Conduzione
Il calore passa per contatto diretto.
es:
cucchiaio di metallo
nella minestra.
Dopo qualche minuto anche il manico diventa caldo.
Nei solidi:
Le particelle sono bloccate in una struttura rigida, quindi vibrano sul posto e si trasmettono l'energia come un effetto domino.
Nei metalli, questo processo è ancora più veloce grazie agli "elettroni liberi" che trasportano il calore rapidamente.
Come si calcola:
La Legge di Fourier
:
La formula in basso serve a capire quanto calore passa attraverso una parete (o un oggetto) in un certo tempo.
Q(cond) potenza termica
: È la quantità di calore che attraversa il materiale. Si misura in Watt (W).
λ (Conducibilità termica)
: È la "capacità" del materiale di farsi attraversare dal calore.
A (Area)
: È la grandezza della superficie.
ΔT (Differenza di temperatura)
: È lo sbalzo termico tra i due lati della parete (T_1 - T_2).
Δx (Spessore)
: È lo spessore della parete
Il segno meno serve a far uscire il risultato finale con un valore positivo.
La forma differenziale della formula
Indica come varia la temperatura millimetro per millimetro lungo lo spessore del materiale.
Per poter usare questa formula in modo semplice a lezione, i professori ipotizzano che il fenomeno avvenga in condizioni di conduzione termica stazionaria e monodimensionale:
Stazionaria
(Le temperature non variano nel tempo): Significa che se in un punto della parete ci sono 20°C adesso, ci saranno 20°C anche tra un'ora.
Monodimensionale
(Avviene lungo una sola direzione): Si ipotizza che il calore si muova dritto come una freccia solo attraverso lo spessore della parete
La conducibilità λ misura quanto un materiale conduce il calore.
I metalli hanno λ molto elevata.
L'aria ha λ molto bassa.
formula pratica per calcolare il calore che attraversa una singola parete piana.
La Resistenza Termica
: È l'ostacolo che la parete oppone al passaggio del calore.
La Conduttanza
: È l'esatto contrario della resistenza. Rappresenta la facilità con cui il calore attraversa il materiale.
Convezione
La convezione è il modo in cui il calore si sposta nei fluidi (cioè nei liquidi e nei gas) attraverso il movimento vero e proprio della materia.
es:
Pentola d'acqua sul fuoco
: L'acqua sul fondo si scalda, sale a galla, si raffredda in superficie e torna giù.
Termosifone
: Scalda l'aria della stanza. L'aria calda sale verso il soffitto e spinge l'aria fredda verso il basso.
Il movimento del fluido può nascere da solo o essere causato da qualcosa. Per questo si divide in:
Convezione naturale
: Il fluido si muove da solo a causa della temperatura. Il fluido caldo diventa più leggero (meno denso) e sale verso l'alto. Il fluido freddo è più pesante e scende.
Esempio: L'aria calda che sale sopra una pentola d'acqua che bolle.
Convezione forzata
: Il fluido viene spinto a muoversi da una forza esterna meccanica.
Esempio: Un ventilatore che soffia aria fresca sulla pelle per rinfrescarti
La Legge di Newton
Questa formula serve a calcolare quanto calore passa tra un solido e un fluido:
Q conv
: La potenza termica scambiata, misurata in Watt
A
: La superficie del solido a contatto con il fluido. Più è grande la superficie, più calore viene scambiato.
(T_s - T_infty)
: La differenza di temperatura. È lo sbalzo termico tra la superficie del solido (T_s) e il fluido lontano da essa (T_infty)
Il coefficiente di convezione (h_c)
dipende da tre fattori:
Natura del fluido
: Se il fluido è acqua, scambia calore molto meglio rispetto all'aria.
Tipo di moto
: Se il fluido si muove velocemente (convezione forzata, es. vento), il valore di (h_{c}) si impenna.
Geometria
: La forma e la posizione dell'oggetto (se è un tubo, una piastra piana, una parete verticale, ecc.).
Conduzione e convezione in una parete
La slide mostra come il calore esce da una stanza per andare all'esterno. Per farlo, deve superare 3 tappe in serie
Convezione interna
: Il calore passa dall'aria calda della stanza alla superficie interna della parete.
Conduzione
: Il calore attraversa i due materiali della parete (lo strato giallo (a) e lo strato azzurro (b), ad esempio mattoni e isolante).
Convezione esterna
: Il calore passa dalla superficie esterna della parete all'aria fredda di fuori.
CONVEZIONE: tra l’aria interna del locale e la superficie interna della parete
CONDUZIONE: all’interno della parete stessa
Irraggiamento
L'irraggiamento è la trasmissione del calore attraverso le onde elettromagnetiche (come la luce o i raggi infrarossi).
es:
Il Sole
: Scalda la Terra viaggiando per milioni di chilometri nel vuoto dello spazio.
Il fuoco o il camino
: Se ti siedi davanti, senti subito il caldo sulla pelle, anche se l'aria intorno è fredda.
Lo scambio termico reale è complesso e non lineare.
Per semplificare si usano formule lineari ricavate sperimentalmente
Potenza Termica
La potenza termica ti dice quanto velocemente si sposta il calore.
Se la potenza termica cambia nel tempo, si usa l'integrale:
Se la potenza termica rimane costante nel tempo, la formula si semplifica:
Flusso termico
Il flusso termico specifico (q) risponde a una domanda:
quanto calore passa in un singolo "quadratino" di muro grande 1 metro per 1 metro?
La potenza termica (Q)
è il calore totale che scappa dalla finestra
Il flusso specifico (q)
guarda invece solo un punto preciso.
