Il calore tende spontaneamente a propagarsi sia all’interno di un corpo solido sia all’interno di un fluido. I meccanismi di propagazione sono però diversi .














La conduzione è una propagazione di calore tra i metalli ed è dovuta al movimento interno degli elettroni .Appena gli elettroni entrano a contatto con la sorgente,aumenterà la loro energia cinetica e fra gli atomi ci saranno degli urti che faranno propagare il calore .

La legge che permette di calcolare la conducibilità del calore è stata definita da un fisico francese Jean-Baptiste –Joseph Fourier. Egli ha scoperto sperimentalmente che la rapidità con cui il calore si propaga attraverso una parete piana è:


Queste proprietà possono essere riassunte nella legge di Fourier:

ΔT

ΔX


Q = - K × A × × t



Q = calore di propagazione








A = superficie della lamina

K

W

(M×K)

= coefficiente di conducibilità termica unità di misura:


dove k è il coefficiente dei vari metalli


Δ= variazione di temperatura

Δx= lunghezza della lamina

t = tempo


Davanti al coefficiente di conducibilità termica K, mettiamo il segno meno quando il calore fluisce nella direzione in cui diminuisce la temperatura (Q risulta positivo quando ΔT/Δx è negativo )

L’unita di misura del calore di propagazione è un joule al secondo, cioè un watt.

Esempio

Può essere utile descrivere il seguente esperimento: si tenga con una mano una estremità di una sbarretta metallica mentre l’altra estremità viene posta a contatto con una fiamma.

Dopo poco tempo si avverte, nella parte di sbarra tenuta in mano, un forte aumento della temperatura che ci induce ad affermare che il calore si è propagato attraverso la sbarretta metallica dalla estremità A all’estremità B. Possiamo dare un’interpretazione del fenomeno supponendo che la conduzione del calore altro non sia che una trasmissione di impulsi di energia. Molto semplicemente possiamo pensare che le molecole concentrate presso l’estremità A

della sbarretta ricevano dalla sorgente una certa quantità di energia che va ad aumentare l’ampiezza delle loro oscillazioni attorno alle posizioni di equilibrio. Conseguentemente aumenta il numero e l’intensità degli urti contro le molecole dello strato adiacente. Questo processo interessa via via gli strati successivi fino a giungere all’estremità opposte della sbarra. Dalla descrizione data è immediato riconoscere come non vi sia assolutamente trasporto di materia da un punto all’altro del corpo ma solo una trasmissione di energia. Ovviamente questo fenomeno è maggiormente accentuato per determinati corpi meno che altri. Chiameremo i primi (ad esempio i metalli) buoni conduttori del calore, mentre altri corpi per i quali l’effetto di conduzione risulta modesto (ad esempio il vetro, il legno ecc.) verranno definiti cattivi conduttori.












La convezione è un meccanismo di trasmissione del calore tipico

dei fluidi. Consiste in una propagazione del calore accompagnata

da trasporto di materia da un punto all’altro di un sistema.

Si consideri una pentola che contiene acqua sul fuoco il suo fondo metallica si scalda. Le molecole di acqua che si trovano a contatto con il fondo aumentano la sua velocità. Il liquido caldo si dilata, diventa meno denso e, per il principio il principio di Archimede sale verso l’alto. Nello stesso tempo l’acqua fredda scende e prende il posto di quella calda il risultato è un’insieme di movimenti, detti correnti convettive. Le molecole si mescolano e il calore si propaga dentro il liquido, il fenomeno si chiama convezione. La convezione è tipica anche nei gas nell’immagine in basso vediamo che , l’aria riscaldata dal fuoco del camino sale lungo la cappa. Contrariamente alla conduzione, nella convezione, c’è sia trasporto di energia termica sia trasporto di materia.







L’irraggiamento è un meccanismo di trasmissione dell’energia diverso sia dalla conduzione sia dalla convezione perché avviene anche in assenza di materia per esempio, l’energia emersa dal sole sotto forma di radiazioni elettromagnetiche si propaga nello spazio interplanetario prima di giungere sulla terra .

L’irraggiamento è un fenomeno tipico non solo del sole ma di ogni corpo . Infatti , qualunque corpo emette radiazioni elettromagnetiche .I corpi più caldi emettono radiazioni visibili , per esempio la fiamma di una candela ;quelli meno caldi emettono radiazioni infrarosse , non visibili .

La potenza irradiata da un corpo caldo, cioè l’energia emessa nell’unità di tempo, è direttamente proporzionale all’area della superficie che emette e alla quarta potenza della temperatura assoluta (legge di Stefan –Boltzmann):



Potenza irradiata Q/Δt= cAT^4)


dove c è una costante che dipende dal materiale di cui è costituita la superficie emittente .

Quando un corpo viene investito da energia raggiante ,questa viene in parte assorbita ,in parte riflessa e, se il corpo è trasparente ,viene trasmessa .La quantità assorbita dipende dalle caratteristiche del corpo che assorbe; per esempio ,i corpi ruvidi e scuri assorbono di più dei corpi chiari e lisci. Solo la radiazione assorbita produce un riscaldamento del corpo.

Esempio:

Il calore irradiato dal sole sulla terra

Il calore trasmesso nell’ambiente da una accesa







La propagazione del calore da un corpo più caldo ad uno più freddo è un processo naturale che non si può evitare, tutt’al più si può rallentare. Per esempio, d’inverno bisogna rallentare la fuga del calore dall’interno della casa verso l’ambiente esterno (più freddo, mentre d’estate bisogna rallentare il processo inverso (calore che dall’esterno entra verso l’interno ).

In genere, a questo scopo, si usano dei materiali isolanti. Vediamo cosa succede, quando si affianca un isolante ad una parete. Indichiamo con d e p gli spessori della parete e dell’isolante, con kp e ki i rispettivi i rispettivi coefficienti di conducibilità termica.

La quantità totale di calore che attraversa la parete in un intervallo Δt è:





Dato un determinato dislivello di temperatura, per diminuire la quantità di calore che attraversa la parete bisogna fare in modo che la parete e l’isolante siano spessi (d pedi grandi) e usare materiali che conducono poco il calore (kp e ki piccoli).