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Il trasferimento di calore è l’atto fisico dell’energia termica che viene scambiata tra due sistemi dissipando il calore. La temperatura e il flusso di calore sono i principi di base del trasferimento di calore. La quantità di energia termica disponibile è determinata dalla temperatura e il flusso di calore rappresenta il movimento dell’energia termica.
Su scala microscopica, l’energia cinetica delle molecole è la relazione diretta con l’energia termica., All’aumentare della temperatura, le molecole aumentano nell’agitazione termica manifestata nel movimento lineare e nella vibrazione. Le regioni che contengono maggiore energia cinetica trasferiscono l’energia a regioni con minore energia cinetica. In poche parole, il trasferimento di calore può essere raggruppato in tre grandi categorie: conduzione, convezione e radiazione.
L’immagine qui sopra, fornita dalla NASA, evidenzia come tutti e tre i metodi di trasferimento del calore (conduzione, convezione e radiazione) funzionano nello stesso ambiente.
Conduzione
La conduzione trasferisce il calore tramite collisione molecolare diretta., Un’area di maggiore energia cinetica trasferirà energia termica in un’area con minore energia cinetica. Le particelle a velocità più elevata si scontreranno con particelle a velocità più lenta. Le particelle a velocità più lenta aumenteranno di energia cinetica di conseguenza. La conduzione è la forma più comune di trasferimento di calore e avviene tramite contatto fisico. Esempi potrebbero essere di mettere la mano contro una finestra o posizionare il metallo in una fiamma aperta.
Il processo di conduzione del calore dipende dai seguenti fattori: gradiente di temperatura, sezione trasversale del materiale, lunghezza del percorso di viaggio e proprietà fisiche del materiale., Il gradiente di temperatura è la quantità fisica che descrive la direzione e la velocità del viaggio di calore. Il flusso di temperatura si verificherà sempre da più caldo a più freddo o, come detto prima, da più alto a più basso di energia cinetica. Una volta che c’è equilibrio termico tra le due differenze di temperatura, il trasferimento termico si ferma.
La sezione trasversale e il percorso di viaggio svolgono entrambi un ruolo importante nella conduzione. Maggiore è la dimensione e la lunghezza di un oggetto, maggiore è l’energia necessaria per riscaldarlo. E maggiore è la superficie esposta, più calore viene perso., Gli oggetti più piccoli con piccole sezioni trasversali hanno una perdita di calore minima.
Le proprietà fisiche determinano quali materiali trasferiscono il calore meglio di altri. In particolare, il coefficiente di conducibilità termica impone che un materiale metallico conduca il calore meglio del tessuto quando si tratta di conduzione. La seguente equazione calcola la velocità di conduzione:
Q = / d
dove Q = calore trasferito per unità di tempo; k = conducibilità termica della barriera; A = area di trasferimento del calore; Thot = temperatura della regione calda; Tcold = temperatura della regione fredda; e d = spessore della barriera.,
Un moderno uso della conduzione è stato sviluppato dal Dr. Gyung-Min Choi presso l’Università dell’Illinois. Dr. Choi utilizza corrente di spin per generare spin coppia di trasferimento. Spin transfer torque è il trasferimento del momento angolare di spin generato dagli elettroni di conduzione alla magnetizzazione di un ferromagnete. Invece di utilizzare campi magnetici, questo consente la manipolazione di nanomagneti con correnti di spin., (Per gentile concessione di Alex Jerez, Imaging Technology Group, The Beckman Institute)
Convezione
Quando un fluido, come l’aria o un liquido, viene riscaldato e quindi si allontana dalla sorgente, trasporta l’energia termica lungo. Questo tipo di trasferimento di calore è chiamato convezione. Il fluido sopra una superficie calda si espande, diventa meno denso e sale.
A livello molecolare, le molecole si espandono dopo l’introduzione di energia termica. All’aumentare della temperatura della massa fluida data, il volume del fluido deve aumentare dello stesso fattore. Questo effetto sul fluido provoca lo spostamento., Mentre l’aria calda immediata aumenta, spinge l’aria più densa e più fredda verso il basso. Questa serie di eventi rappresenta come si formano le correnti di convezione. L’equazione di convezione costo è calcolato come segue:
Q = hc · A · (Ts – Tf)
dove Q = calore trasferita nell’unità di tempo; hc = coefficiente di trasferimento di calore convettivo; A = trasferimento di calore di superficie; Ts = temperatura della superficie; e Tf = temperatura del fluido.
Un riscaldatore di spazio è un classico esempio di convezione., Mentre il riscaldatore di spazio riscalda l’aria che lo circonda vicino al pavimento, l’aria aumenterà di temperatura, si espanderà e salirà verso l’alto della stanza. Questo forza verso il basso l’aria più fredda in modo che si riscalda, creando così una corrente di convezione.
Radiazione
La radiazione termica genera dall’emissione di onde elettromagnetiche. Queste onde portano l’energia lontano dall’oggetto che emette. La radiazione avviene attraverso un vuoto o qualsiasi mezzo trasparente (solido o fluido). La radiazione termica è il risultato diretto di movimenti casuali di atomi e molecole nella materia., Il movimento dei protoni e degli elettroni carichi provoca l’emissione di radiazioni elettromagnetiche.
Tutti i materiali irradiano energia termica in base alla loro temperatura. Più un oggetto è caldo, più si irradia. Il sole è un chiaro esempio di radiazione di calore che trasferisce calore attraverso il sistema solare. A temperature ambiente normali, gli oggetti si irradiano come onde infrarosse. La temperatura dell’oggetto influenza la lunghezza d’onda e la frequenza delle onde irradiate., All’aumentare della temperatura, le lunghezze d’onda all’interno degli spettri della radiazione emessa diminuiscono ed emettono lunghezze d’onda più corte con radiazioni a frequenza più elevata. La radiazione termica è calcolata utilizzando la legge di Stefan-Boltzmann:
P = e · σ · A · (Tr4 – Tc4)
dove P = potenza irradiata netta; A = area radiante; Tr = temperatura del radiatore; Tc = temperatura dell’ambiente; e = emissività; e σ = costante di Stefan.
L’emissività per un radiatore ideale ha un valore di 1. I materiali comuni hanno valori di emissività inferiori. L’alluminio anodizzato ha un valore di emissività pari a 0.,9 mentre il rame è 0.04.
Cella solare o cella fotovoltaica, converte l’energia della luce in elettricità tramite l’effetto fotovoltaico. La luce viene assorbita ed eccita l’electrcon ad uno stato energetico più elevato e il potenziale elettrico è prodotto dalla separazione delle cariche. L’efficienza dei pannelli solari è aumentata negli ultimi anni. Infatti, quelli attualmente prodotti da SolarCity, una società co-fondata da Elon Musk, sono al 22%.
L’emissività è definita come l’efficacia di un oggetto nell’emettere energia come radiazione termica., È il rapporto, ad una data temperatura, della radiazione termica da una superficie alla radiazione da una superficie nera ideale come determinato dalla legge di Stefan-Boltzmann. La costante di Stefan è determinata dalle costanti della natura. Il valore della costante è il seguente: