Termodinamica e trasmissione del calore
La
termodinamica è la branca della fisica classica e della chimica che studia e
descrive le trasformazioni termodinamiche indotte dal calore e dal lavoro in un
sistema termodinamico, in seguito a processi che coinvolgono cambiamenti delle
variabili di stato temperatura ed energia (in particolare studia le
trasformazioni da calore a lavoro e viceversa).
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Convenzione_sui_segni_di_calore_e_lavoro.jpg
La termodinamica classica si basa sul concetto di sistema macroscopico, ovvero una porzione di massa fisicamente o concettualmente separata dall'ambiente esterno, che spesso per comodità si assume non perturbato dallo scambio di energia con il sistema (sistema isolato): lo stato di un sistema macroscopico che si trova in condizione di equilibrio è specificato da grandezze dette variabili termodinamiche o funzioni di stato come temperatura, pressione, volume e composizione chimica.
La trasmissione
del calore (o scambio termico) è un fenomeno di trasporto in cui è coinvolta
energia termica tra due sistemi termodinamici. E’ causato da una differenza di
temperatura tra i due sistemi. Se durante tale processo non viene prodotto calore
(ad esempio attraverso reazione chimica), il calore ceduto da un sistema viene
acquistato dal secondo sistema, in accordo con la legge di conservazione
dell'energia.
La trasmissione del calore può avvenire secondo tre modalità:
· Conduzione termica: avviene in presenza di un gradiente di temperatura in un mezzo stazionario, il quale può essere un solido oppure un liquido;
· convezione: avviene tra una superficie e un fluido in movimento, tra i quali si ha un gradiente di temperatura;
· irraggiamento: avviene tra due superfici con un gradiente di temperatura, tramite emissione di energia sotto forma di Radiazione elettromagnetica; l'irraggiamento avviene anche senza la presenza di un mezzo interposto, ovvero con le due superfici in questione separate dal vuoto.
Il propagarsi del calore tramite tutti e due i meccanismi di convezione e irraggiamento contemporaneamente, viene chiamato "adduzione" o "conduzione esterna".
Conduzione
La conduzione
termica è originata dall'attività molecolare e atomica; infatti può essere
vista come un trasferimento di energia dalla particella di materia più
energetica a quella minore, attraverso interazioni tra le particelle stesse. Il
meccanismo fisico della conduzione è spiegabile considerando un gas, in cui è
presente un gradiente di temperatura e dove si ipotizza l'assenza di moti
macroscopici. Il gas occuperà lo spazio tra le due superfici mantenute a
differente temperatura. Ad ogni punto si associa la temperatura con l'energia
delle molecole del gas in prossimità del punto. Questa energia è riferita al
moto casuale di traslazione, nonché a quelli di rotazione e di vibrazione delle
molecole. La temperatura alta è associata all'alta energia delle molecole: quando
queste molecole ad alta energia entrano in collisione con quelle contigue, si
ha un trasferimento di energia dalle molecole più energetiche a quelle meno.
Alla presenza di un gradiente lo scambio avverrà in direzione della diminuzione
di temperatura. Questo discorso può essere esteso ai liquidi e ai solidi, dove
la collisione delle molecole è più frequente in quanto avviene in uno spazio
ancor più ridotto.
Convezione
La convezione
riguarda essenzialmente i fluidi, e si verifica soprattutto per differenza tra
le densità dei fluidi stessi al variare della temperatura; comprende due
meccanismi di trasmissione dell'energia. Oltre al moto casuale delle molecole,
il trasferimento si ha con moti macroscopici del fluido, con le molecole che si
comportano come se facessero parte di un unico aggregato.
L'Irraggiamento
L'irraggiamento è un meccanismo di trasmissione diverso, perché avviene anche in assenza di materia. Per esempio, l'energia emessa dal Sole sotto forma di radiazioni elettromagnetiche si propaga nello spazio interplanetario prima di giungere sulla Terra. O anche le vecchie lampadine a incandescenza.
La trasmissione del calore è studiata per tre attività fondamentali che sono di uso comune quasi in tutti gli impianti:
· la conservazione di calore;
· la dissipazione di calore;
· il raffreddamento libero.
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